Mūsų kūno ląstelė primena miestą. Joje yra biblioteka – DNR grandinė, paštas – Goldžio aparatas, elektrinės – mitochondrijos. Mikrotubulės ir aktino gijos atlieka greitkelių funkciją, o kinezino ir dineino molekulės keliauja jomis it sunkvežimiai, gabenantys įvairias medžiagas. Yra netgi atliekų sąvartynai – lizosomos.
Tokiame mieste darbuojasi milijonai mašinų, sukasi milijardai variklių. Tad kodėl žmonės negalėtų sukurti panašių į juos, kurie atliktų papildomas funkcijas, taisytų gamtos klaidas arba net patobulintų kai kuriuos ląstelės komponentus?
Nanomokslo vizijų era prasidėjo 1986 metais, kai Masačusetso technologijų instituto inžinierius Ericas Drexleris išleido knygą „Engines of Creation. The coming era of nanotechnology“. Jo idėjos apie iš molekulių sukonstruotus robotus pasirodė neįgyvendinamos. Tačiau mokslininkai surado kitų būdų, kaip sukurti nanomašinas. Jie atidžiau pažvelgė į ląstelę ir ėmė iš jos mokytis.
„Dalį tų problemų gamta yra gražiai išsprendusi ir sukūrusi daug nanorobotų. Daugelis fermentų ir panašių į fermentus struktūrų juda, atlieka įvairias manipuliacijas ir kartu katalizuoja chemines reakcijas. Tos problemos buvo išspręstos gamtos iki E. Drexlerio. Tokių veikiančių struktūrų gamtoje galima rasti daug“, – sako biochemikas prof. Arūnas Ramanavičius.
Nanopasaulį valdo atsitiktinumo ir būtinybės sąjunga
Ląstelėse be paliovos siaučianti molekulinė audra suteikia energijos tokioms mašinoms veikti, o jos susiformuoja pačios iš atskirų komponentų. Šie procesai jau gana gerai aprašomi, remiantis matematikos ir fizikos dėsniais. Nanopasaulį valdo atsitiktinumo ir būtinybės sąjunga. Tereikia tuo pasinaudoti.
Fizinių ir technologijos mokslų centre ir VU Chemijos fakultete besidarbuojantis prof. A. Ramanavičius su kolegomis kuria savaime susirenkančius nanorobotus, kurie galėtų būti naudojami įvairioms ligoms, ypač vėžinėms gydyti. Jie tą atliktų labai tiksliai ir efektyviai. Projektas vadinasi „Polimerais ir biologiniu atpažinimu pasižyminčiomis struktūromis modifikuoti fermentai selektyviam ląstelių poveikiui“.
„Bandome susintetinti tokias nanostruktūras, kurias suformuotų ir biologinės molekulės, ir įvairios kitokios nanostruktūros. Tokie dariniai prisijungtų prie vėžinių ląstelių ir bandytų jas paveikti. Geriausias poveikis būtų kaip nors jas nužudyti“, – aiškina A. Ramanavičius.
Planuojama sukurti specialų konteinerį – Trojos arklio analogą, kuris nepastebimai prisiartintų prie pasmerktos ląstelės, ją atpažintų ir po to pradėtų operaciją. Šio konteinerio turinys negrįžtamai pažeistų ląstelę ir tai įjungtų užprogramuotą jos žūties – apoptozės – mechanizmą.
Pasaulyje jau naudojami pasyvūs nanokonteineriai su vaistų molekulėmis, kurie savo turinį priverčiami išmesti, tik priartėjus prie taikinio. Taip mažiau nuodijamas organizmas, o vaistai veikia efektyviau. Pavyzdžiui, keliasdešimties nanometrų skersmens pūslelės su aukso nanodalelėmis, pasiekusios tikslą, suardomos naudojant infraraudonųjų spindulių lazerį. Tačiau Lietuvos mokslininkai teigia, kad jų strategija kitokia.
„Koncepcija šiek tiek skiriasi nuo tos, kuomet vaistai pristatomi į vėžinę ląstelę. Mes kuriame tokias struktūras, kad jos gebėtų pagaminti vaistą šalia vėžinės ląstelės. Būtų toks neišsemiamas to vaisto fabrikėlis. Nereikia atgabenti didelio konteinerio, bet pakanka atgabenti struktūras, kurios gamina vaisto molekules“, – pasakoja mokslininkas.
Efektyviausia – manipuliuoti gamtos sukurtomis struktūromis
Sukonstruotos molekulinės mašinos, naudodamos šalia ląstelės esančias nekenksmingas medžiagas, jas paverstų nuodingomis. Tokios cheminės reakcijos yra gana paprastos. Pavyzdžiui, iš kraujyje nuolat esančios gliukozės būtų gaunamos tokios medžiagos, kaip vandenilio peroksidas, kurios skatintų itin žalingų gyvoms sistemoms laisvųjų radikalų ar kitų aršių medžiagų atsiradimą.
Mokslininkai suprato, kad efektyviausias kelias – manipuliuoti struktūromis, kurias sukūrė gamta. Gamtos siūlomas statybinių blokų asortimentas didžiulis, bet kai kurių technologinių sprendimų gamta dar neišrado. Todėl tyrėjams tenka modifikuoti gamtines struktūras, jas tobulinti.
„Pavyzdžiui, sukuriame ant baltymų tam tikrus polimerinius sluoksnius, tikėdami, kad tie sluoksniai apsaugos tuos baltymus nuo imuninės sistemos poveikio, ir taip pat prie tų struktūrų kabiname kitus baltymus. Vieni baltymai atpažįsta paviršines ląstelių struktūras, kiti gamina veikliąsias medžiagas. Šitoje vietoje reikalingas tam tikras chemikų indėlis. Reikia cheminėmis reakcijomis sujungti viską į vieną veikiančią struktūrą“, – teigia A. Ramanavičius.
Projekte dalyvauja įvairių sričių specialistai. Maždaug penktadalį jų sudaro biochemikai. Tiek pat darbuojasi chemikų, o kartu su jais – fizikai ir biofizikai. Toks bendradarbiavimas būtinas, siekiant įminti nanopasaulio paslaptis. Gamtos dėsniai čia veikia kitaip. Pavyzdžiui, jame susilieja elektrostatinė, cheminių ryšių, mechaninė ir šiluminė energijos. Būtent tai leidžia savarankiškai susikonstruoti molekulinėms mašinoms, vieną energijos formą lengvai verčiančioms kita.
„Mes esame pasirinkę maždaug tris skirtingas ląstelių linijas. Naudojame ir mieles, kadangi jas lengva auginti. Taip pat numatome naudoti b limfocitus ir dar kai kurias ląsteles“, – sako biochemikas.
Nanorobotų konstravimas prasideda gana paprastai – cheminėje kolboje. Pasirinkti fermentai, naudojant įvairias polimerizacijos reakcijas, padengiami polimeriniu sluoksniu ir tampa neatpažįstami imuninei sistemai. Tačiau jų katalitinė funkcija išlieka.
„Tada vėl, atlikdami chemines manipuliacijas, sukuriame tam tikras grupes, prie kurių galima jungti receptorius atpažįstančius baltymus arba antikūnus, suteikti šitai struktūrai atpažinimo funkciją. Tam, kad visą tą struktūrą galima būtų sekti, prikabiname kokią nors fluorescuojančią žymę. Tai gali būti fluorescuojantis kvantinis taškas arba organinės molekulės – fluoresceinas arba panašios“, – pasakoja A. Ramanavičius.
Fermentas privalo kuo ilgiau išlikti nepastebėtas
Iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad viską galima padaryti kolboje. Tačiau norint sėkmingai baigti kiekvieną iš šių etapų, reikia atlikti daug mokslinių tyrimų. Laimė, mokslininkai ir inžinieriai sukūrė nemažai unikalių prietaisų, padedančių iš labai arti pažvelgti į nanopasaulį. Todėl galima įvertinti, kokio dydžio susidarė polimeru padengtos nanodalelės su fermentais jų viduje.
Naudojant atominės jėgos mikroskopą, įvertinama jų forma ir kitos morfologinės savybės. Mat tik į vieningą sistemą sujungus visas roboto dalis, jis sugeba atlikti numatytas funkcijas. Taip pat būtina įsitikinti, ar visi komponentai tebėra aktyvūs. Ir svarbiausia – nustatyti, ar tokios modifikuotos biologinės kilmės medžiagos gali sąveikauti su ląstelės paviršiuje esančiais receptoriais.
„Tada mums labai praverčia lipsometrijos tyrimai. Taip pat paviršiaus plazmonų rezonanso įrenginys padeda nustatyti, kaip tokios nanodalelės atpažįsta tas struktūras, o atominės jėgos mikroskopas gali apčiupinėti paviršių ir surasti, kiek tokių struktūrų prisijungia prie paviršiaus“, – sako profesorius.
Kartais nanorobotų kūrimo metodai praverčia ir karo pramonėje, arba atvirkščiai. Pavyzdžiui, fermentams padengti naudojamas polimeras, paverčiantis šią molekulę nematoma imuninei sistemai, tą pačią funkciją atlieka ir aviacijoje, konstruojant lėktuvus. Tai „stealth“ technologijos dalis.
„Preliminarių tyrimų metu pastebėjome, kad jis pakankamai biologiškai draugiškas, nesukelia imuninio atsako. Kadangi fermentas, sudarantis mūsų nanodalelės šerdį, yra labai imunogeniškas ir sukelia stiprų imuninį atsaką, jo į organizmą nebūtų galima įleisti“, – aiškina A. Ramanavičius.
Štai kodėl fermentas, kuris it koks Betmenas privalo kuo ilgiau išlikti nepastebėtas, kad turėtų laiko pasiekti tikslą – prisigretinti prie vėžinės ląstelės ar kito taikinio, apvelkamas polimeru.
„Po to prasideda įvairios cheminės modifikacijos. Įvedamos tam tikros funkcinės grupės, jos modifikuojamos, prasideda „molekulinio lego“ žaidimas. Be abejo, kiekviename etape reikia daug ką tirti, keisti“, – pasakoja A. Ramanavičius.
Vis daugiau mokslinių grupių pradeda konstruoti savaime susirenkančius nanorobotus, naudodami vienagrandės DNR sekas, kurios gali būti pritvirtintos prie įvairių robotą sudarančių komponentų. Tuos komponentus supylus į tirpalą, nanorobotai patys susirenka į veikiančias struktūras. Tai vadinama DNR origamio metodika. Toks keliasdešimties nanometrų dydžio nanorobotas atliktų kelias funkcijas.
„Viena būtų atpažinimo funkcija. Pvz., antikūnas ar koks kitas receptorių atpažįstantis baltymas būtų prijungtas. O kitoje pusėje – veiklusis fermentas, kuris gamina nanovaistą“, – sako biochemikas.
Atsiras naujo tipo terapija
Mokslininkai jau išmoko prikabinti prie polimerų reikiamus baltymus, kurie atpažįsta tam tikras ląsteles ir gali prie jų jungtis. Dabar VU chemikai kuria nanoroboto prototipą. Kol kas jie nėra įsitikinę, ar jis veiks, tačiau eksperimentai liudija, jog atskiri šios sistemos komponentai funkcionuoja, kaip ir buvo tikėtasi. Taigi jie turėtų atpažinti vėžines ląsteles. Tad koks galutinis šio projekto tikslas?
„Tikimės sukonstruoti nanorobotukus, kurie atpažintų ląsteles, prisijungtų prie jų ir šalia jų sintetintų ląstelei pakankamai didelį kiekį toksinių medžiagų“, – atskleidžia mokslininkas.
Nanomedicina pastaruoju metu yra viena madingiausių ir sparčiausiai besivystančių sričių. Optimistai teigia, kad medicininiai nanorobotai bus naudojami odontologijoje saugant dantis nuo bakterijų, chirurgijoje naikinant pakitusias ląsteles. Jie pavaduotų eritrocitus, pernešdami deguonį, matuotų gliukozės koncentraciją kraujyje arba perneštų genus į ląsteles.
Šiais metais Sautemptono universiteto Didžiojoje Britanijoje mokslininkai susintetino molekulę, kuri prisijungia prie vėžio ląstelių sienelėse esančių chloro jonų. Todėl natrio jonai ima plūsti į ląstelę, suardo jonų balansą ir priverčia ląstelę nusižudyti. Manoma, kad tai gali tapti naujo tipo terapija.
JAV Šiaurės rytų universiteto mokslininkai tikisi artimiausiu metu pradėti naudoti nanojutiklius, galinčius identifikuoti bakterijas, įvairius baltymus ir realiu laiku diagnozuoti kai kurias patologijas. Jutikliai jau šiemet bus pradėti montuoti kartu su tokiais implantais, kaip dirbtiniai klubo sąnariai arba kraujagyslių stentai. Jie pagal komandą išskirs vaisto molekules. Manoma, kad tokie jutikliai pravers, ieškant vėžinių ląstelių ir jas naikinant.
Lietuvos mokslininkų eksperimentai turėtų papildyti tokių unikalių nanoinstrumentų ir nanorobotų asortimentą. „Pasaulyje tokios klasės vaistai pasirodys maždaug po dešimties metų. Gali iškilti įvairių problemų dėl tų vaistų įteisinimo. Kiek tas truks, sunku pasakyti. Bet tokios nanomedicinos koncepcijos kitame dešimtmetyje turėtų tapti gana populiarios. Taip pat ir dėl mūsų tyrimų“, – teigia A. Ramanavičius.
Rolandas Maskoliūnas, LRT Televizijos laida „Mokslo ekspresas“
