Биологический «компьютер» уничтожает раковые клетки

Диагностическая наносистема на основе ДНК была успешно инкорпорирована в живые клетки.

Исследователям из научной группы под руководством профессора из Университета Цюриха Якова Бененсона (Yaakov Benenson) и профессора из Массачусетского Университета Рона Вайсса (Ron Weiss) удалось внедрить в живые клетки диагностический биологический «компьютер». Эта система распознает раковые клетки, просчитывая логические комбинации из пяти специфических для раковых клеток молекулярных факторов, и инициирует гибель аномальной клетки.

Профессор синтетической биологии Яков Бененсон потратил много лет на разработку биологических компьютеров, работающих внутри живых клеток. Его целью является создание биокомпьютеров, способных идентифицировать молекулы, имеющие существенное значение для клетки и несущие важную информацию о ее состоянии, а также обрабатывать данные об этих молекулах и инициировать адекватный терапевтический ответ в случае, если клетка больна. Сегодня можно сказать, что ученый если не достиг своей цели, то сделал очень важный шаг к ее достижению.

В статье, недавно опубликованной в журнале Science, ученые описывают мультигенную ДНК-«схему», задачей которой является определение различий между раковыми и здоровыми клетками и последующее уничтожение раковых клеток. Эта схема работает путем выявления пяти внутриклеточных онкоспецифичных (т.е. присутствующих именно в злокачественных клетках) молекулярных факторов и оценки их концентраций. Схема реагирует, лишь когда в клетке одновременно обнаруживаются все пять факторов, и их концентрации превышают допустимые пороговые значения. Исследователи надеются, что их разработка станет основой для создания высокоспецифичных методов противораковой терапии.

Селективное уничтожение раковых клеток

Исследователи протестировали генную схему на двух типах клеток человека, культивированных in vitro: злокачественных клетках рака шейки матки, так называемых клетках линии HeLa, и нормальных клетках. Когда генетический биокомпьютер был внедрен в культуры, клетки линии HeLa погибли, в то время как со здоровыми клетками ничего не случилось.

Чтобы достичь этого результата, ученые провели огромную подготовительную работу. Во-первых, необходимо было выяснить, какие комбинации внутриклеточных молекулярных факторов характерны именно для клеток HeLa. Исследователи сосредоточили свое внимание на классе внутриклеточных соединений, называемых микроРНК (miRNA), выполняющих в клетке в основном функции регуляции работы генов, и нашли комбинацию микроРНК, характерную для клеток HeLa и не присутствующую ни в одном типе здоровых клеток человеческого организма.

Определение профиля микроРНК, характерного для злокачественных клеток, было очень трудной задачей. В теле человека насчитывается около 250 типов специализированных клеток. Злокачественных клеток существует великое множество, и сотни линий раковых клеток могут быть выращены в лаборатории. Еще больше разнообразие самих микроРНК – в клетках человека их было описано от 500 до 1000. «Каждый тип клеток, здоровых или больных, содержит разные наборы микроРНК», - пояснил Бененсон.

Пять факторов для идентификации раковых клеток

Создание «профиля» микроРНК похоже на составление списка симптомов, необходимых для диагностики заболевания. «Один симптом, например, лихорадка, не может быть использован для характеристики болезни. Чем больше специфических симптомов известно врачу, тем более точный диагноз он поставит», - говорит один из авторов исследования. По этой причине ученые провели широкий поиск специфических факторов, после чего выделили всего 5 специфических микроРНК, которые отличают клетки HeLa от нормальных. Некоторые из этих микроРНК присутствуют в раковой клетке в очень высоких концентрациях, другие – наоборот, в очень низких.

Система диагностики основана на Булевой алгебре. Обнаружив в клетке определенные молекулярные факторы, биокомпьютер начинает их комбинировать, используя логические операции «И» и «НЕ», и провоцирует клеточный ответ, а именно, запускает апоптоз клетки, лишь получив в результате всех комбинаций значение «ИСТИНЫ». То, что эта система действительно работает в живых клетках, ставит правильный «диагноз» и приводит к гибели раковых клеток – настоящий прорыв в данной области.

В дальнейших экспериментах учёные планируют протестировать свое изобретение на модели заболевания на животных. Все это может показаться научной фантастикой, но Бененсон убежден в успехе своего подхода. Конечно, до применения метода in vivo предстоит решить еще множество вопросов и технических проблем, ведь весь нанокомпьютер состоит из ДНК, а доставка чужеродных генов в живой организм весьма сложна. Так, например, нужно, чтобы нанокомпьютер работал в клетках организма лишь некоторое время, а не постоянно, а, значит, необходимо разработать для него специальный «выключатель», который также будет представлять собой генетическую конструкцию. «Мы все еще очень далеки от создания метода, работающего в организме человека. Тем не менее, эта работа – важный шаг, демонстрирующий принципиальную возможность такой селективной диагностики на уровне каждой индивидуальной клетки», - заключает руководитель исследования.


«Микросхема» внутриклеточного компьютера: для того, чтобы запустился процесс гибели клетки, все пять молекулярных факторов должны присутствовать в определенных концентрациях (Изображение: Benenson Y., R. Weiss).

По материалам:
ETH Zurich/Swiss Federal Institute of Technology

Оригинальная статья:
Z. Xie, L. Wroblewska, L. Prochazka, R. Weiss, Y. Benenson. Multi-Input RNAi-Based Logic Circuit for Identification of Specific Cancer Cells. Science, 2011; 333 (6047): 1307 DOI: 10.1126/science.1205527