Наночастицы золота – мельчайшие золотые сферы диаметром всего несколько миллиардных долей метра – стали полезным инструментом современной медицины. Ученые уже встроили их в миниатюрные системы доставки лекарственных препаратов для контроля свертываемости крови. Они также являются основным элементом созданного для уничтожения злокачественных опухолей устройства, проходящего сейчас клинические испытания.

Наночастицы золота. Предоставлено Кимберли Хамад-Шифферли

Однако одно из свойств таких наночастиц стоит на пути многих технологических разработок: они липкие. Наночастицы золота могут быть сконструированы таким образом, что будут привлекать к себе определенные биомолекулы, но и сами они «прилипают» ко многим другим частицам, что часто снижает их эффективность при выполнении поставленных перед ними задач.

Исследователи из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology – MIT) нашли способ, как превратить этот их недостаток в преимущество. В статье, недавно опубликованной в American Chemical Society Nano, адъюнкт-профессор биоинженерии и машиностроения Кимберли Хамад-Шифферли (Kimberly Hamad-Schifferli) и научный сотрудник доктор философии Сунхо Парк (Sunho Park) сообщили о том, что им удалось использовать свойство липкости наночастиц для двукратного увеличения количества белка, вырабатываемого в процессе трансляции in vitro – важного инструмента, используемого биологами для безопасного получения больших количеств белка с целью его исследования вне живой клетки.

Для образования белков по молекулярным шаблонам, называемым мРНК, группы биомолекул собираются вместе в процессе трансляции. При трансляции in vitro такие биологические компоненты находятся в лабораторной пробирке (в противоположность трансляции in vivo, происходящей в живой клетке), а искусственные матричные РНК добавляются, чтобы гарантировать выработку каких-либо определенных белков, необходимых ученым для исследования. Например, если они хотят изучить белок, не вырабатываемый клеткой в естественных условиях, или белок вредный для клетки, синтезируемый в результате произошедшей мутации, для получения больших количеств такого белка они могут использовать трансляцию in vitro. Но у in vitro трансляции есть и оборотная сторона: она не столь эффективна, как могла бы быть. «Сегодня вы можете получить какой-либо белок, а за следующие два дня не получите ничего», – объясняет Хамад-Шифферли.

При финансовой поддержке Института биомедицинской визуализации и биоинженерии (Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering) Хамад-Шифферли и ее сотрудники сначала решили сконструировать систему, способную предотвращать трансляцию. Этот процесс, известный как подавление, или ингибирование, трансляции, может остановить выработку вредных белков или помочь исследователям определить функцию определенного белка, наблюдая за поведением клетки при его отсутствии. Чтобы достичь этого Хамад-Шифферли прикрепила ДНК к наночастицам золота, надеясь, что большие агрегаты из наночастиц и огромных молекул ДНК (NP-DNA) смогут заблокировать трансляцию.

Однако она была обескуражена, обнаружив, что NP-DNA не уменьшили выработку белка, как ожидалось. Фактически она получила данные, свидетельствующие о том, что NP-DNA не подавляют, а усиливают трансляцию.

Оказывается, липкие наночастицы доставляют биомолекулы, необходимые для трансляции, в непосредственную близость к месту событий, что позволяет ускорить весь процесс. Кроме того, ДНК-компонент комплекса NP-DNA сконструирован для привязки к специфической мРНК, которая будет транслирована в определенный белок. Связь должна быть достаточно прочной, чтобы удерживать мРНК на месте трансляции, но одновременно и достаточно слабой, чтобы мРНК могла соединяться с другими молекулами, необходимыми для процесса. Так как сконструированная молекула ДНК имеет своего специфического мРНК-партнера, трансляция такой мРНК, находящейся в растворе из многих аналогичных молекул, может усиливаться без ее изоляции.

Конъюгаты наночастиц золота (AuNP) и ДНК могут интенсифицировать in vitro трансляцию белка. Интенсификация происходит благодаря комбинации неспецифической адсорбции связанных с трансляцией молекул и рибосом на комплексах AuNP−DNA и специфического связывания комплексов с нужными мРНК. AuNP−DNA-конъюгаты усиливают продукцию флуоресцентных белков (mCherry, eGFP) на 75–100%. Для исследования неспецифической адсорбции AuNP−DNA-комплексов на трансляционном механизме был использован гель-электрофорез. Было установлено, что неспецифическая адсорбция имеет решающее значение для усиления процесса трансляции, и, если ее устранить, интенсификации процесса не происходит. Взаимодействие мРНК с ДНК, находящейся на поверхности AuNP, влияет на степень усиления и исследовалось по экспрессии в присутствии фермента РНКазы H. Эти результаты позволяют предположить, что более выраженная степень усиления трансляции наблюдается, когда ДНК на поверхности AuNP образуют неполный дуплекс с мРНК. Настройка баланса между неспецифической адсорбцией и специфическим связыванием комплексов AuNP−DNA может привести к усилению трансляции конкретного гена в смеси.

В дополнении к усилению in vitro трансляции разработанные Хамад-Шифферли комплексы NP-DNA могут иметь и другие применения. По мнению Мин Чжен (Ming Zheng), химика-исследователя из Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology), они могут быть объединены с углеродными нанотрубками – мельчайшими полыми цилиндрами, невероятно прочными для своего размера. В конечном итоге они могут стать основой транспортной системы, доставляющей лекарственные препараты в клетки или в межклеточное пространство. Липкость, свойственная комплексам NP-DNA, увеличит скорость и точность такой системы адресной доставки.

Хамад-Шифферли уверена, что ее открытие сделает in vitro трансляцию более надежной и эффективной, но она продолжает работу. Она надеется еще более увеличить выработку белка in vitro, и выяснить, можно ли применить ее систему для усиления трансляции в живых клетках. Для достижения этих целей она должна разработать и провести эксперименты для определения того, какие молекулы принимают участие в процессе интенсификации процесса и как они взаимодействуют. «Позитивным аспектом является то, что нам повезло», – говорит Хамад-Шифферли, размышляя о своем открытии. «Недостатком – то, что решить головоломку о том, как точно работает наша система, будет очень сложно».

Аннотация к статье: Enhancement of In Vitro Translation by Gold Nanoparticle−DNA Conjugates