Наномотор переставит живые клетки с места на место

Двуцепочечная спираль ДНК, проходящая сквозь пору белкового наномотора в липидной мембране. Иллюстрация Science daily

В Музее Востока в Москве посетители могут видеть удивительные китайские резные шары из слоновой кости. Они представляют собой вложенные одна в другую сферы все уменьшающегося размера, вырезанные из единого куска материала. Этот факт вспомнился в связи с тем, что одно из приложений к журналу Nature сообщило о наномоторе, способном вращаться со скоростью 18 тыс. об/мин (у прежних аналогов число оборотов не превышало 500)! Конструкция представляет собой никель-золотую нанопроволоку, помещенную на цилиндр – никель-золото-хромовый магнит с микроэлектродом в самой нижней его части.

Уникальное устройство создано в лаборатории китаянки Д. Фан, работающей в Техасском университете, г. Остин. Размер мотора не превышает 1 микрометра (мкм), что в 6–7 раз меньше диаметра самой миниатюрной клетки живого организма, эритроцита. Мотор беспрерывно работал в лаборатории на протяжении 15 часов, совершив при этом почти четверть миллиона оборотов. Его можно ввести в живую клетку, а также использовать для движения нанороботов и с их помощью, например, передвигать одиночные стволовые клетки с места на место.

Для проверки возможности практического использования новой наноэлектромеханической системы (NEMS) ученые нагрузили его нанопроволоку инсулином и запустили вращение. «Высвобождение» молекул гормона было тем интенсивнее, чем быстрее вращение наномотора. Таким образом, он может использоваться для «доставки» нужных лекарств в те же раковые клетки, минуя здоровые.

Точная адресация биологически активных молекул поможет глубже понять межклеточные взаимодействия как при развитии организма, так и при, скажем, нейродегенеративных состояниях, а также при старении. Клетки обладают также отменным химическим «чутьем», что важно для регуляции их активности. В этом плане нанотехнология всего лишь догоняет, что давно уже есть в живых клетках, в которых имеются собственные протеиновые моторы, например секреторные (Sec).

Нанопроволочный мотор, «палочный» ротор которого расположен над магнитом и электродом внизу цилиндра. Иллюстрация Physorg

Клеточная секреция требует особых белков, осуществляющих транслокацию синтезированных молекул, например инсулина, в клетках поджелудочной железы. Белок сначала «переправляется» из места синтеза (эндоплазматической сети) в цистерны и вакуоли аппарата Гольджи, затем – к клеточной оболочке-мембране и только затем «выталкивается» в кровоток. Нечто похожее происходит и при генерации и передаче нервного импульса, в ходе которой молекулы нейромедиаторов передаются на большие расстояния по длинным отросткам-аксонам до мест соединения – синапсов – с другими нервными клетками. Там тот же адреналин буквально «впрыскивается» в щель между двумя клетками с помощью белкового мотора Sec, тем самым способствуя клеточному взаимодействию.

Старение клеток связано с работой TOR (Target Of Rapamycin), представляющего собой большой белковый комплекс, активность которого регулируется антибиотиком и иммунодепрессантом рапамицином, откуда и название TOR. Супрессорная активность связана с тем, что рапамицин блокирует – через TOR – клеточное деление, препятствуя тем переходу от стволовых клеток к активным иммунным «эффекторам» отторжения.

Недавняя статья в журнале J. of Gerontology детализирует связь между рапамицином и продлением клеточной жизни на 25–30% за счет подавления синтеза жирных кислот (липидов). Его действию помогает также широко известный метформин, способствующий окислению жиров, с помощью которого лечат некоторые формы диабета.

Однако прямо противоположная задача подразумевает не вы-, а введение каких-то веществ в клетки, решению которой также могут помочь наномоторы. Известно, что разрабатываемые сегодня методы генетической терапии начинаются с введения «здорового» гена в клетки. Еще пять лет назад для этой цели были предложены протеиновые биомоторы, встраиваемые в клеточные оболочки-мембраны, с помощью которых через последние можно проводить в клетки молекулы ДНК.

Но необходимо учитывать, что белковые молекулы, не говоря уже об их комплексах из нескольких субъединиц, очень капризны. Поэтому за пять прошедших лет предложение так и не вышло за пределы лаборатории  университета г. Цинциннати. Устройства же, созданные из наноблоков в Остине, могут подтолкнуть развитие и в этой области, что послужит прогрессу в развитии наномедицины и других технологий.