Учёные выяснили, как управлять 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.

Понимание физических и биологических процессов, происходящих на наноуровне, — решающий фактор в развитии применений нанотехнологий в медицине. Однако для проведения исследований на столь малом масштабе необходимо использование специальных «инструментов», размер которых соизмерим с исследуемыми объектами.

Такими «инструментами» могут выступать магнитные наночастицы, магнитные свойства которых очень важны в различных медицинских приложениях. Такими наночастицами можно дистанционно управлять путем приложения 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 неясными.

Решая поставленную задачу, ученые из НИТУ «МИСиС», МГУ им. Ломоносова, РНИМУ им. Пирогова и Университета Дуйсбург-Эссена получили дистанционно управляемые действием низкочастотных переменных магнитных полей молекулы ДНК, прочно связанные с индивидуальными магнитными наночастицами с 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 — научный сотрудник лаборатории «Биомедицинские наноматериалы» Алексей Никитин.

По словам разработчика, информация о неизвестных энергиях межмолекулярного взаимодействия между комплементарными парами молекул является фундаментальной 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.