Наночастиците се научиха да изпълняват логически операции

Изследователи от Института по обща физика, Института по биоорганична химия и Московския физико-технически институт направиха важна крачка по пътя към създаването на медицински нанороботи.

Те надариха нано- и микрочастици със способността да провеждат логически изчисления с помощта на биохимични реакции.

Работата развива идеята за изчисления с помощта на биомолекули. Ако в електронните вериги логическите елементи оперират с ток или напрежение (има напрежение – 1, няма – 0), то в биохимичните системи на изхода може да се появява определено вещество, което да осъществява терапевтично въздействие на биологичните системи.

Например съвременните биоинженерни методи позволяват да се накара клетката да свети с различни цветове – или дори да се програмира нейната гибел, като се свърже апоптозата с определен резултат от бинарни операции.

Логическите операции в клетката или в изкуствени биомолекулни системи се разглежда от много учени като път към управлението на биологичните процеси и към появата на пълноценни микро- и нанороботи, способни например да доставят лекарство точно по разписание на местата, където е необходимо. Такива устройства са „вълшебният куршум“, за който е писал още Паул Ерлих (1854−1915), основоположник на химиотерапията.

Максим Никитин, водещ автор на изследването, твърди, че изчисленията с използване на биомолекули (или биокомпютинг) вътре в клетката сега се развиват широко, така че в такъв случай може да се използва биомолекулният клетъчен инструментариум.

По-трудно е да се реализират изчисления извън клетката. Извън нейните предели няма естествени структури, които биха могли да помогнат в провеждането на изчисленията, но в новата работа става дума именно за извънклетъчен биокомпютинг.

Изследването отваря пътя към „вълшебния куршум“ и при това се отличава съществено от предишните работи по биокомпютинг както извън, така и вътре в клетката.

Двоичните изчисления с помощта на биомолекули (въз основа на ДНК, РНК и белтъци) по цял свят вече се развиват повече от десет години, но в работата на руските учени за първи път се предлага и експериментално потвърден начин, в който всяка логическа функция може да бъде изпълнена от нано- или микрочастици.

Този подход не просто развива методите за биомолекулни изчисления. Той позволява по нов начин да се контролира биомедицинското поведение на нано- и микрочастиците. В перспектива това може да помогне в разработването на принципно нови материали за насочена доставка на лекарства в клетки мишени и за създаването на нови методи за анализ на кръв и други биоматериали.

В описваното изследване са използвани както нано- (тоест с размер 100 нанометра), така и макрочастици (3000 нм или 3 микрометра).

Изчисленията на наночастиците се провеждат от специално подбран състав на външния слой, който действа различно при въздействието на различни комбинации на входовете (под „вход“ се подразбира наличието на определено вещество. Появата на неговите молекули било разглеждано от учените като сигнал на входа на логическия елемент).

Например за реализирането на логическото „И“ сферична наночастица се покривала със слой молекули, които задържали около частицата слой сфери с по-малък диаметър.

Такива молекули, като ключалки, задържащи външната обвивка, били два типа. Всеки тип молекули реагирал само на своя вход и при контакт едновременно с две различни вещества настъпвало отделяне на малките сфери от повърхността на по-голямата по диаметър наночастица.

Отделянето на външния слой откривало активните участъци на вътрешната частица и тя получавала възможност да си взаимодейства със своята мишена. Така учените успели да накарат частиците да обработват биохимична информация и да получат един сигнал в отговор на два.

Това е първата платформа, която е способна да реализира всяка логическа функция (или поне за два входа) без използването на ДНК молекули. За демонстрация на това в новата работа за скрепване на наночастиците една с друга били избрани антитела. Тези естествени белтъци на имунната система имат малък активен участък, който реагира само на определени молекули; високата избирателност на антителата се използва от организма за адресна неутрализация на бактерии и други патогени.

Убедили се, че съчетанието на наночастиците от различни типове с антитела е способно да реализира различен род логически операции, изследователите демонстрирали и възможността за прилагането им за адресно взаимодействие с раковите клетки.

Учените получили не просто наночастици, които могат да се свързват с клетки от определен род, а частици, които започват да търсят клетки мишени при едновременното изпълнение на две различни условия, при наличието или отсъствието около различни молекули. Такъв допълнителен контрол в бъдеще може да се използва за по-точно унищожаване на раковите клетки с минимални последствия за здравите тъкани и органи.

Максим Накитин твърди, че макар това да е само една от поредните малки крачки по пътя към създаването на ефективно работещи нанобиороботи, тази област от науката е изключително интересна, завладяваща и дава широко поле за научна фантазия.