Понятно, что это требует предварительного оснащения исходной наночастицы (в сущности, крупицы металлической окиси железа, кобальта, никеля, хрома или золота) различными «орудиями». Прежде всего она должна быть покрыта специально подобранными малыми молекулами — эта оболочка призвана сделать частицу «биосовместимой». Затем к ней присоединяются другие молекулы — «линки», которые одним концом прикрепляются к оболочке, а на другом конце несут различный «полезный груз»: антитела для распознавания патогенов, люминофоры, придающие частице способность светиться, и тому подобные «присадки». Но бывают и более сложные конструкции. Например, в одном из экспериментальных методов дистанционного разрушения опухолей используются полые и пористые наночастицы, внутри которых находится специальный краситель. Когда лучи лазера, сфокусированные на опухоли, нагревают частицу, молекулы красителя выходят через поры и под действием лучей разлагаются с выделением атомарного кислорода, губительного для клеток. В зависимости от назначения частиц могут быть и другие варианты. В конечном итоге такая «биологическая наночастица» имеет довольно сложный вид.
Второе отличительное свойство магнитных наночастиц — это, как уже сказано, их магнетизм, точнее — их суперпарамагнетизм. В каждом веществе атомы имеют микроскопические магнитные моменты, и, если поместить парамагнитное вещество во внешнее магнитное поле, эти атомные магнитики ориентируются вдоль такого поля. При этом кусок вещества намагничивается неоднородно: в нем образуются отдельные участки, домены, в каждом из которых атомные магнитики расположены строго параллельно, но, поскольку тепловое движение ворочает эти домены туда-сюда, их суммарные магнитные моменты не параллельны друг другу. Поэтому вещество в целом намагничивается слабо. Но если кусок вещества равен как раз одному такому домену, то в нем все магнитики будут параллельны и намагничивание будет много сильнее — оно и называется суперпарамагнетизмом. Остается сказать, что размеры домена составляют 10–50 нанометров, и становится, я думаю, понятно, почему наночастицы (то есть отдельные домены) парамагнитного вещества обладают такими уникальными магнитными свойствами, которыми не могут обладать большие крупицы.
Разумеется, наночастицы не создаются путем раздробления вещества, технология их изготовления более сложна, но оставим ее специалистам. Интересен вопрос — как направлять эти частицы в нужное место? Прилагая постоянное внешнее поле, можно только повернуть магнитный момент частицы как целого в ту или иную сторону. Для придания же частице поступательного движения требуется неоднородное поле, сила которого меняется вдоль нужного направления. В таком поле частица будет двигаться, грубо говоря, в сторону нарастания поля (не случайно порошок железа в школьном опыте стягивается именно к полюсам магнита). В биологической практике такие неоднородные поля создаются специальным образом. Вот, например, как выглядит использование магнитных наночастиц для сепарирования биомолекул. К частицам присоединяются антитела, которые имеют способность другим своим концом соединяться с какими-то определенными клетками; эти частицы вводятся в раствор различных клеток, где благодаря антителам соединяются со «своими» клетками, после чего раствор пропускается по трубке, в определенном месте которой намотана проволока, по которой идет ток, создающий неоднородное магнитное поле. Градиент поля останавливает те клетки, на которых есть наночастицы, и пропускает раствор со всеми другими клетками, а специальные приборы замеряют суммарную намагниченность остановленных частиц, и по ней вычисляется количество отсепарированных клеток. Эта методика уже с успехом опробована на эритроцитах, клетках опухоли легких, бактериях, отдельных молекулах ДНК и т. д.
Другое широкое применение магнитные наночастицы нашли в борьбе с раком. Обычные методы химиотерапии страдают тем недостатком, что лекарства не могут быть доставлены только в нужные места. Их просто вводят в организм, и поэтому они неизбежно попадают и туда, куда не следует, зачастую вызывая опасное побочное действие. Ненаправленное введение лекарств требует увеличения их дозы (чтобы достичь нужной их концентрации в опухоли), что усиливает эти вредные последствия. В 1970-е годы было предложено направлять лекарства в опухоли с помощью магнитных частиц, и сейчас, с развитием нанотехнологий, это стало возможным благодаря использованию описанного выше метода неоднородного магнитного поля. Этот метод открыл также возможность внедрять наночастицы внутрь опухолевых клеток, чтобы затем разрушать эти клетки путем нагревания частиц.
Что же в итоге? Как уже сказано выше, возможности магнитных наночастиц фантастичны, экспериментальные успехи в их применении несомненны. Сегодня медицина находится на пороге революционных изменений, на стадии перехода — точнее, поиска путей перехода — от успешных экспериментов в контролируемых лабораторных условиях к безопасным клиническим испытаниям. Но можно надеяться, что через считанные годы эти пути будут найдены.
Оригами на службе человечества
Не говорите мне о Сколкове. Сколково — оно еще вона где, а реальная нанотехнология — она уже вот, в статье, опубликованной в американском журнале «Science». Называется эта статья «Наноробот для направленного переноса молекулярного груза», а речь в ней идет о программе создания наноустройства, которое сможет находить и уничтожать раковые клетки в популяции клеток здоровых. Не больше и не меньше. Поэтому давайте расскажем об этом открытии, тем более что рассказ этот обещает быть интересным.
Начнем с оригами. Да, я помню, что обещал поведать о нанороботе, но именно поэтому начать нужно с оригами. Оригами — это японское слово, и означает оно чисто японское, ставшее сейчас вездесущим, искусство складывать трехмерные формы из плоских листков бумаги (применять клей традиция не разрешает). Это большое искусство, а также сложная математическая задача. Так вот, в 2006 году сотрудник Калифорнийского технологического института Поль Ротемунд показал, что трехмерные сооружения можно строить, более того — что они могут строиться сами собой, из молекул ДНК. Метод Ротемунда получил название «ДНК-оригами». Сегодня он является одним из самых перспективных направлений в той части нанотехнологии, которая занимается созданием микроскопических структур из молекул ДНК.
Молекула ДНК оказалась особенно удобной для создания микроскопических структур в силу некоторых своих особенностей. Каждая такая молекула — это очень длинная цепь химических звеньев (нуклеотидов) четырех разных типов — А, Г, Ц и Т. В такой цепи могут быть миллионы звеньев. Большая длина позволяет строить из одной молекулы достаточно сложные структуры. Второй важной особенностью ДНК является химическое сродство ее нуклеотидов. Их химические свойства таковы, что нуклеотид Т энергично связывается с А, а Г — с Ц. Это создает возможность изгибать цепочку и удерживать ее в изогнутом состоянии. Для такой цели используется короткая цепочка из тех же нуклеотидов, называемая ДНК-олигомером. Такой олигомер, состоящий из нескольких десятков или сотен звеньев, можно создать искусственно, в пробирке, задав ему любое нужное расположение нуклеотидов. Его концы (например, нуклеотиды А и Г) можно химически присоединить к любым двум местам длинной цепи, где стоят «родственные» им нуклеотиды Т и Ц. Если эти места далеки друг от друга, а олигомер достаточно короток, то для такого присоединения потребуется изогнуть длинную цепь и сблизить те ее участки, где должны крепиться концы олигомера. Но потом, соединившись с этими участками, олигомер будет уже сам удерживать цепь в таком изогнутом состоянии. Иными словами, он будет работать как скрепка.
Ротемунд начал с плоских структур. Но затем, спустя три года после его открытия, группа, в которую входили американские, немецкие и датские ученые, сумела создать, опираясь на метод Ротемунда, крайне важные — уже в прикладном смысле — трехмерные ДНК-структуры. С помощью 250 олигомерных скрепок они «связали» из длинной ДНК шесть плоских квадратиков и соединили их в виде наноящика с открывающейся крышкой.
Этот успех, в свою очередь, вызвал новый поток работ, последней из которых (на момент написания этой книги в 2013 году) стало исследование гарвардских ученых Шона Дугласа и Идо Бахелета, с которого мы начали этот рассказ. В этой работе был сделан очередной шаг к практическому использованию ДНК-оригами для борьбы с раковыми клетками. Но для того, чтобы понять, в чем состоит новизна этого шага, следует опять сделать небольшое отступление. Уже в 2009 году ДНК-ящики были созданы не просто так, а для доставки лекарственного груза в нужные места организма. Они делались такого размера, чтобы в них умещались достаточно большие молекулы, обладающие способностью так или иначе вредить раковым клеткам. Эти ящики обладали своего рода «замками», которые позволяли крышке открываться только в присутствии раковых клеток, не раньше. Такие «замки» придумал еще в 1990 году гарвардский биохимик Шостак. Создав в пробирке случайную смесь ДНК-олигомеров, он вводил в эту смесь различные биологические молекулы и смотрел, с каким олигомером та или иная такая молекула соединяется. После этого можно было использовать этот олигомер как средство распознания данной биомолекулы в любом научном эксперименте, где она появлялась. Шостак назвал эти распознающие ДНК-олигомеры «аптамерами» и первым применил один такой аптамер для опознания белка тромбина, играющего важную роль в свертывании крови. Уже через несколько лет ведущие фармацевтические фирмы начали работы по созданию лекарств с присоединенным к ним аптамером, призванным «наводить» это лекарство на белок, который «повинен» в той или иной болезни.
