Живые микрочипы

Новая методика, позволяющая с помощью отдельных нитей синтетической ДНК прочно прикреплять клетки к неорганической поверхности, была разработана в университете штата Калифорния (г. Беркли). Потенциальные возможности использования этой методики очень обширны. Она может применяться для разработки биосенсоров, скрининга лекарственных препаратов, выращивания искусственных тканей и создания нейронных сетей.

Исследователи группы, возглавляемой Рави Чандра (Ravi Chandra), надеются создать на основе разработанной ими методики клеточные чипы – пластиковые чипы размером с человеческий ноготь, позволяющие идентифицировать различные типы клеток с помощью избирательной адгезии. Такие чипы могут использоваться в качестве биосенсоров для определения наличия патогенов в биологических образцах, скрининга лекарственных средств и многого другого.

Многие клетки изначально обладают способностью прикрепляться к другим клеткам и неклеточным компонентам, что позволяет им формировать различные типы тканей и выполнять возложенные на них функции, необходимые для поддержания жизнедеятельности и здоровья организма. Адгезивность клеток в настоящее время используется для их встраивания в простейшие приборы, и, возможно, в будущем будет применяться для создания сложных нанотехнологических приспособлений.

До сих пор для прикрепления клеток к различным поверхностям ученые использовали природные белки, в основном интегрины. При применении этого метода покрытая интегринами клетка прикреплялась к поверхности, выстланной специальными связывающими лигандами. Недостаток этой методики заключается в универсальности интегринов – они обеспечивают прилипание абсолютно любых клеток к одним и тем же лигандам. Это обуславливает неприменимость интегринов в тех случаях, когда необходимо строгое разделение различных типов клеток.

Авторам работы удалось решить эту проблему с помощью высокоселективной системы клеточной адгезии, использующей синтетические одноцепочечные молекулы ДНК для прикрепления клеток к поверхности. Это позволяет различным типам клеток прикрепляться к определенным, предназначенным исключительно для них областям.

Для этого поверхность покрывается одноцепочечными ДНК с определенным порядком нуклеотидов, а к мембране клеток прикрепляются молекулы ДНК с комплементарной последовательностью. Таким образом клетки получают способность адгезироваться к поверхности в тех местах, где находятся молекулы ДНК, комплементарные к прикрепленным к их поверхности цепочкам. Этот метод позволяет создать практически неограниченное количество вариантов кодирования, а ДНК является эффективным молекулярным штрих-кодом, наносящимся на поверхность живой клетки.

Нанесение ДНК на поверхность клетки осуществлялось с помощью уникального, разработанного этой же группой исследователей, приема, получившего название "лигирование Штаудингера" (“Staudinger ligation”). В этой методике для прикрепления различных меток к клеточной поверхности или объединения двух разных молекул внутри клетки используются сложные углеводные комплексы олигосахариды, входящие в состав клеточной мембраны и реакция между двумя молекулами: азотсодержащим азидом и фосфоросодержащим фосфином. Причем "лигирование Штаудингера" не только обеспечивает высокую точность работы, но и совершенно безвредно для клетки.

Обычно ДНК не содержится на поверхности клетки. Для преодоления этого препятствия учеными был синтезирован конъюгат фосфин-ДНК, обеспечивающий возможность ее прикрепления к клетке. Конъюгат фосфин-ДНК формирует внешний адгезивный слой, никак не связанный с природной адгезивностью клетки, причем к поверхности одной клетки при этом прикрепляется около 270 тысяч молекул ДНК. С помощью этого приема исследователи научились прикреплять к поверхности даже совершенно неадгезивные от природы клетки, такие как, например, Т-лимфоциты, что само по себе является очень важным достижением.



В качестве поверхности прикрепления они использовали вмонтированные в микрофлюидальные чипы золотые пластинки, в поверхность которых с помощью серосодержащих тиолат-ионов (промышленно выпускаемых химических лигандов) были заякорены одноцепочечные ДНК. После пропускания через чип суспензии клеток с помощью флуоресцентной микроскопии было установлено, что к поверхности чипа адгезировались только клетки, несущие на своей поверхности цепочки ДНК, комплементарные молекулам, покрывающим поверхность золотых пластинок. Абсолютно идентичные, но покрытые отличающимися молекулами ДНК, клетки при этом вымывались.

По словам авторов, адгезирование клеток происходит очень быстро (не более 35 минут) и прикрепляются они гораздо прочнее, чем это требуется для многих практических приложений.

Следующий шаг, запланированный исследователями, заключается в создании наборов для комплексного экспресс-метода идентификации клеток. Кроме того, они хотят доказать пригодность разработанной ими методики для создания скрининговых систем с высокой пропускной способностью.

Статья Ravi A. Chandra et al. «Programmable Cell Adhesion Encoded by DNA Hybridization» опубликована в журнале Angewandte Chemie от февраля 2006 года.

Интернет-журнал "Коммерческая биотехнология" http://www.cbio.ru/