Умные молекулы: от игры в крестики-нолики до адресной доставки лекарств

Максим Никитин

Институт

Биоорганической

химии РАН

Институт Общей Физики

РАН

Московский

Физико-Технический

Институт

Биоинформатика использует компьютеры, чтобы понять как

работают молекулы и организмы

Биокомпьютинг использует биомолекулы для проведения математических вычислений

Википедия: Леонард Макс Адлеман (англ. Leonard Adleman — Эйдлмен; род. 31 декабря 1945) — американский учёный-теоретик в области компьютерных наук. Он известен как соавтор системы шифрования RSA (Rivest — Shamir — Adleman, 1977 год). RSA широко используется в приложениях компьютерной безопасности, включая протокол HTTPS.

Молекулярные вычисления: начало

http://visual.ly/dna-structure

Структура ДНК

TATCGGATCGGTATATCCGA

GCTATTCGAGCTTAAAGCTA

GGCTAGGTACCAGCATGCTT

GTATATCCGAGCTATTCGAG

CTTAAAGCTAGGCTAGGTAC

CGATAAGCTCGAATTTCGAT

ATAGCCTAGCCATATAGGCT

CCGATCCATGGTCGTACGAA

Adleman, L.M. Science (1994).

CTTAAAGCTAGGCTAGGTAC

CGATAAGCTCGAATTTCGAT

ATAGCCTAGCCATATAGGCT

CCGATCCATGGTCGTACGAA

GTATATCCGAGCTATTCGAG

Смешиваем сразу 1013(!) копий каждой молекулы

Adleman, L.M. Science (1994).

2. Увеличиваем кол-во ДНК-цепей с началом в Vin и концом в Vout - методом ПЦР

3. Выделяем ДНК-цепи с нужной длиной с помощью электрофореза

5. Увеличиваем концентрацию оставшихся цепей с помощью ПЦР

4. Выделяем одноцепочечные ДНК-цепи на магнитных частицах несущих ДНК, соответствующие каждой вершине (последовательно все вершины)

Adleman, L.M. Science (1994).

2. Увеличиваем кол-во ДНК-цепей с началом в Vin и концом в Vout - методом ПЦР

Шаг 2 – Полимеразная цепная реакция

http://en.wikipedia.org/wiki/Polymerase_chain_reaction

Шаг 3 – Электрофорез

http://html.rincondelvago.com/

3. Выделяем ДНК-цепи с нужной длиной с помощью электрофореза

http://www.csiro.au/Portals/Media/2012/New-approach-to-spell-checking-gene-sequences.aspx

4. Выделяем одноцепочечные ДНК-цепи на магнитных частицах несущих ДНК, соответствующие каждой вершине (последовательно все вершины)

Иллюстрация из: Zhou et al., Chem. Commun. 2008

Шаг 4 – Магнитная сепарация

5. Увеличиваем концентрацию оставшихся цепей с помощью ПЦР

Шаг 5 – ПЦР – увеличиваем кол-во ДНК-ответа

Электронные вычисления в 1994 году

ДНК-вычисления

Секунды, чтобы сгенерировать решение НЕДЕЛЯ работы, чтобы узнать его

Adleman, L.M. Science (1994).

Википедия: Леонард Макс Адлеман (англ. Leonard Adleman — Эйдлмен; род. 31 декабря 1945) — американский учёный-теоретик в области компьютерных наук. Он известен как соавтор системы шифрования RSA (Rivest — Shamir — Adleman, 1977 год). RSA широко используется в приложениях компьютерной безопасности, включая протокол HTTPS.

Adleman, L.M. Molecular computation of solutions to combinatorial problems. Science (1994).

Биокомпьютинг на основе булевой логики

Краткий обзор логических функций

Логическая функция «ДА»

Логическая функция «НЕ»

Логическая функция «И»

Логическая функция «ИЛИ»

www.scholarpedia.org/article/Deoxyribozymes_performing_logic_operations_and_simple_computations

ДНКзимы - DNAzymes

Считывание сигнала Работа фермента

2003

www.scholarpedia.org/article/Deoxyribozymes_performing_logic_operations_and_simple_computations

www.scholarpedia.org/article/Deoxyribozymes_performing_logic_operations_and_simple_computations

www.scholarpedia.org/article/Deoxyribozymes_performing_logic_operations_and_simple_computations

Игра в крестики-нолики: Биолог против ДНК

Stojanovic, M.N. & Stefanovic, D. Nat. Biotechnol. (2003)

Игра в крестики-нолики: Биолог против ДНК

Stojanovic, M.N. & Stefanovic, D. Nat. Biotechnol. (2003)

Игра в крестики-нолики: Биолог против ДНК

Stojanovic, M.N. & Stefanovic, D. Nat. Biotechnol. (2003)

Вычисление 𝟏𝟓 с помощью ДНК

Qian L. & Winfree E. Science (2011)

Внеклеточные молекулярные вычисления

Нейронные сети на основе ДНК

Вычисления на основе самосборки ДНК в виде Sierpinski triangles

Системы на ферментативных каскадах

Логические элементы на малых молекулах

и т.п.

А для чего это все?

Реально ли переиграть электронные компьютеры?..

…а можно ли использовать это для медицины?

Истоки современной медицины: Химиотерапия

Пауль Эрлих (1854-1915)

Нобелевский лауреат 1908 года

Арсфенамин (Аrsphenamine) Первый эффективный препарат от сифилиса, положивший начало Химиотерапии (термин введен П. Эрлихом)

Магическая пуля

http://www.youtube.com/watch?v=Z_mXDvZQ6dU

«Клетки-убийцы»

Ближайшая перспектива: Моноклональные антитела

Специфическое распознавание клеточных маркеров:

Но! Для многих заболеваний неизвестны 100% специфические клеточные маркеры на клетках-мишенях

Требуется одновременно анализировать большее количество биохимической информации для точной идентификации мишени!

Молекулярные вычисления для терапии и диагностики

Доставка лекарств к специфическим клеткам (CD3+ & CD4- & CD8-)

Доставка лекарств в специфическую область (опухоль, воспаление…)

Индукция специфического отклика от клетки с определенным профилем маркеров (например, вызов апоптоза при определенном профиле мРНК)

Анализ растворимых маркеров

Анализ клеточных маркеров

Анализ маркеров в клетках, в т.ч. профилирование генов

Активация лекарства в специфическое время (для диабета: Глюкоза+ & Инсулин-)

Наномедицина

McAteer MA, et al. In vivo magnetic resonance imaging of acute brain inflammation using microparticles of iron oxide,

Nat Med. (2007) 13 1253-8.

Примеры использования многофункциональных частиц: Ранняя диагностика атеросклероза

McAteer MA, et al. In vivo magnetic resonance imaging of acute brain inflammation using microparticles of iron oxide, Nat Med. (2007) 13 1253-8.

Ранняя диагностика атеросклероза in vivo

Конструктор для нано- и микрочастиц

M.P. Nikitin, et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2010)

Белок-опосредованная сборка частиц

U. Aghayeva, M. Nikitin, S. Lukash, S. Deyev, ACS Nano (2013)

Демонстрация трифункциональности структур

Суспензия меченных клеток

Фольга, в виде букв “MF” под

покровным стеклом

Намагничивание фольги

M.P. Nikitin, et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2010)

Демонстрация трифункциональности структур

M.P. Nikitin, et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2010)

Бактериофаг

Сборка многофункциональных частиц магнитным полем

H

Сборка многофункциональных частиц магнитным полем

H

Сборка многофункциональных частиц магнитным полем

H?

Диамагнетики в магнитном поле

R.M. Erb, et al., Nature (2009)

Сборка многофункциональных частиц магнитным полем

Сборка многофункциональных частиц магнитным полем

R.M. Erb, et al., Nature (2009)

Сборка многофункциональных частиц магнитным полем

R.M. Erb, et al., Nature (2009)

Молекулярные вычисления для терапии и диагностики

Доставка лекарств к специфическим клеткам (CD3+ & CD4- & CD8-)

Доставка лекарств в специфическую область (опухоль, воспаление…)

Индукция специфического отклика от клетки с определенным профилем маркеров (например, вызов апоптоза при определенном профиле мРНК)

Анализ растворимых маркеров

Анализ клеточных маркеров

Анализ маркеров в клетках, в т.ч. профилирование генов

Активация лекарства в специфическое время (для диабета: Глюкоза+ & Инсулин-)

Направленная доставка лекарственных препаратов наночастицами

Наночастица с лекарством

Мишень

Направленная доставка лекарственных препаратов наночастицами на основе логического анализа входных

сигналов

Наночастица с лекарством

Мишень

Входной сигнал (input)

Интерфейс, обрабатывающий входной сигнал

?

Принцип: логическая функция НЕ (NOT)

M.P. Nikitin, V.O. Shipunova, S.M. Deyev, P.I. Nikitin., Nat Nanotechnol, 9(9), 716-722 (2014).

Направленная доставка на основе булевой логики: инвертирование сигнала

Наночастица с лекарством

Мишень

Входной сигнал

?

Дополнительная частица Интерфейс, обрабатывающий входной сигнал

Принцип: логическая функция ДА (YES)

M.P. Nikitin, V.O. Shipunova, S.M. Deyev, P.I. Nikitin., Nat Nanotechnol, 9(9), 716-722 (2014).

Принцип: логические функции И (AND); ИЛИ (OR)

Реализация путем смешивания биокомпьютерных структур функций ДА/НЕ/И согласно дизъюнктивной нормальной форме

Функции типа «И» («AND») Функции типа «ИЛИ» («OR»)

M.P. Nikitin, V.O. Shipunova, S.M. Deyev, P.I. Nikitin., Nat Nanotechnol, 9(9), 716-722 (2014).

[IF A THEN B] = [(NOT A) OR (YES B)];

[A XOR B]:

[(YES A) AND (NOT B)] OR [(NOT A) AND (YES B)];

etc.

Белок-опосредованная сборка частиц

U. Aghayeva, M. Nikitin, S. Lukash, S. Deyev, ACS Nano (2013)

Дезинтеграция структур в экстремальных условиях

U. Aghayeva, M. Nikitin, S. Lukash, S. Deyev, ACS Nano (2013)

Ферригидритные наночастицы Непокрытые полимером Покрытые КМД

M.P. Nikitin, V.O. Shipunova, S.M. Deyev, P.I. Nikitin., Nat Nanotechnol, 9(9), 716-722 (2014).

Тестирование функций ДА/НЕ (YES/NOT) с помощью мишени, конъюгированной с пероксидазой хрена

Магнитная биокомпьютерная структура с соответствующим логическим покрытием

«Выходной рецептор»: Биотин

Стрептавидин

Ферригидритная частица

Пероксидаза

Схема эксперимента: 1. Биокомпьютерная частица взаимодействует с входными сигналами, что изменяет доступность для связывания биотина с мишенью 2. Добавляют частицу-мишень со стрептавидином и пероксидазой 3. Отмывают несвязавшиеся частицы-мишени 4. Добавляют субстрат, регистрируют светопоглощение продукта реакции

Функции ДА/НЕ (YES/NOT), реализованные с помощью различных белковых интерфейсов

M.P. Nikitin, V.O. Shipunova, S.M. Deyev, P.I. Nikitin., Nat Nanotechnol, 9(9), 716-722 (2014).

Реализация ДА/НЕ (YES/NOT) в разных экспериментальных форматах с помощью интерфейсов на основе антител

M.P. Nikitin, V.O. Shipunova, S.M. Deyev, P.I. Nikitin., Nat Nanotechnol, 9(9), 716-722 (2014).

Иммунохроматография

Реализация функций для двух входов

Функции с двумя входами

M.P. Nikitin, V.O. Shipunova, S.M. Deyev, P.I. Nikitin., Nat Nanotechnol, 9(9), 716-722 (2014).

Адресная доставка наночастиц к клеткам

Адресная доставка агентов к клеткам на основе булевой логики

Cell targeting as the output action of logic gating. a–c, Cell-bound structures were quantified by MPQ. and NOT(FLUO) (b), and for an example of double-input gate (YES FLUO) AND (NOT CAP) (c). Jurkat cells, 7.16.4 cells and Jurkat cells in the presence of 0.5M GlcNAc were targeted.

Возможное будущее: Молекулярные вычисления для терапии и диагностики

Доставка лекарств к специфическим клеткам (CD3+ & CD4- & CD8-)

Доставка лекарств в специфическую область (опухоль, воспаление…)

Индукция специфического отклика от клетки с определенным профилем маркеров (например, вызов апоптоза при определенном профиле мРНК)

Анализ растворимых маркеров

Анализ клеточных маркеров

Анализ маркеров в клетках, в т.ч. профилирование генов

Активация лекарства в специфическое время (для диабета: Глюкоза+ & Инсулин-)

ДНК-вычисления для доставки лекарств: ДНК-каскады

2’ или 4’

Агент

1 2 3 4 5

Rudchenko et al., Nat Nanotechnol. (2013)

ДНК-вычисления для доставки лекарств: ДНК нанороботы

P. W. K. Rothemund et al., Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns, Nature , 2006

ДНК оригами

ДНК-вычисления для доставки лекарств: ДНК нанороботы

P. W. K. Rothemund et al., Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns, Nature , 2006

ДНК оригами

ДНК-вычисления для доставки лекарств: ДНК нанороботы

Douglas, S.M., Bachelet, I. & Church, G.M. Science (2012)

ДНК-вычисления для доставки лекарств: ДНК нанороботы

Нет NOT-гейтов, не полный набор функций (решили в 2014, но для растворимых входов) Очень ограниченный набор транспортируемой нагрузки (payload) по размеру: 5-нм золотые частицы, или Fab-фрагмент антитела

Douglas, S.M., Bachelet, I. & Church, G.M. Science (2012)

Подробная информация:

Сентябрьский выпуск 2014 г., стр. 716-722

Спасибо за внимание!

B.H. McNaughton, et al., Appl Phys Lett (2007)

B.H. McNaughton, et al., Appl Phys Lett (2007)

Поведение янус-частиц в магнитном поле

B.H. McNaughton, et al., Appl Phys Lett (2007)

Детекция бактерий и измерение роста единичной бактерии