Ученые научились управлять отдельными молекулами с помощью магнитных наночастиц
Технологию дистанционного управления клетками и отдельными молекулами с помощью наночастиц и магнитного поля удалось создать научному коллективу биохимиков НИТУ "МИСиС" совместно с российскими и немецкими коллегами. Результаты исследования представлены в международном научном журнале ACS Applied Materials & Interfaces. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c21002
Понимание физических и биологических процессов, происходящих на наноуровне, - решающий фактор в развитии применения нанотехнологий в медицине. Но для проведения исследований на столь малом масштабе необходимо использование специальных "инструментов", размер которых соизмерим с исследуемыми объектами.
Такими "инструментами" могут выступать магнитные наночастицы, свойства которых очень важны в различных медицинских приложениях, например, для диагностики или адресной доставки лекарств. Такими наночастицами можно дистанционно управлять путем воздействия внешних магнитных полей, главным преимуществом которых является неразрушающее дальнодействие и неразрушающий контроль.
Возможность дистанционного управления молекулярными процессами с помощью магнитных наночастиц в ненагревающих внешних магнитных полях - перспективный подход для современной терапии, например, лечения онкологических заболеваний и регулирования активности ферментов. Однако механизмы прямого воздействия магнитных наночастиц на биологические процессы живого организма до сих пор остаются не изученными.
Решая поставленную задачу, ученые НИТУ "МИСиС", МГУ имени Ломоносова, РНИМУ имени Пирогова и Университета Дуйсбург-Эссена получили дистанционно управляемые действием низкочастотных переменных магнитных полей молекулы ДНК, прочно связанные с индивидуальными магнитными наночастицами размером 11 нанометров. Разработанный подход позволяет одновременно манипулировать миллионами отдельных молекул ДНК и оценивать энергии межмолекулярных взаимодействий.
"Мы использовали двухцепочечные нити ДНК, так как они являются модельными молекулами. Для них может быть точно предсказана энергия связывания между двумя комплементарными цепочками. Изменяя состав, число и последовательность нуклеотидов в составе ДНК, можно контролируемо регулировать эту энергию. То есть, на примере ДНК мы показываем работоспособность разработанной нами методики дистанционного клеточного и молекулярного манипулирования", - рассказал один из авторов статьи, научный сотрудник лаборатории "Биомедицинские наноматериалы" НИТУ "МИСиС" Алексей Никитин.
По его словам, информация о неизвестных энергиях межмолекулярного взаимодействия между комплементарными парами молекул является фундаментальным знанием и необходима для понимания механических и энергетических принципов взаимодействия отдельных молекул на наноразмерном уровне.
"В первую очередь, это важно для таких пар, как лиганд-рецептор или антитело-антиген. Зная, насколько прочно удерживаются друг с другом такие молекулы, мы можем говорить о том, как надо на них подействовать чем-либо, чтобы эту связь нарушить. Таким образом, мы можем связывать наночастицы с интересующей нас молекулой, а потом, создавая механические колебания путем приложения внешних магнитных полей, в любой момент разрушать эту связь", - пояснил Алексей Никитин.
Помимо своего фундаментального значения, технология может быть востребована для диагностики, при современных методах лечения диабета, аллергических реакций, а также ряда иммунных заболеваний.
Также удаленное управление макромолекулами в реальном времени может быть востребовано в процессе создания различных ДНК-конструкторов для самосборных и самоуничтожающихся "наноконтейнеров" для доставки лекарств.
Разработчики продолжают исследования и планируют отработать технологию дистанционного управления живыми клетками.
Справка о НИТУ "МИСиС"
НИТУ "МИСиС" - один из наиболее динамично развивающихся научно-образовательных центров страны. Находясь в числе лидеров технологического образования России, НИТУ "МИСиС" также представляет собой полноценный научный центр. Университет занимает ведущие позиции в мире в предметных рейтингах THE, QS и ARWU сразу по 16 направлениям, входя в топ-100 в категориях "Инжиниринг-Горное дело" (рейтинг QS) и "Инжиниринг-Металлургия" (рейтинг ARWU), в области материаловедения НИТУ "МИСиС" в группе 101+ лучших вузов (рейтинг QS).
Стратегическая цель НИТУ "МИСиС" к 2020 году укрепить лидерство по направлениям специализации: материаловедение, металлургия и горное дело, а также существенно усилить свои позиции в сфере био-, нанотехнологий и ИТ. В состав университета входит 10 институтов, 6 филиалов - четыре в России и два за рубежом. В НИТУ "МИСиС" учится более 20 000 обучающихся, среди них 26% - это студенты из 84 стран мира. В университете действуют более 30 научно-исследовательских лабораторий и 3 инжиниринговых центра мирового уровня, в которых работают ведущие российские и зарубежные ученые. НИТУ "МИСиС" успешно реализует совместные проекты с крупнейшими высокотехнологичными компаниями России и мира.
