Молекулы будущего. В Росси нашли способ ускорить борьбу с раком.

Одной из технологий медицины будущего являются аптамеры — короткие молекулы ДНК или РНК, которые имеют много различных применений, включая функции антител, борющихся с патогенами. Однако существуют сложности в получении аптамеров для определенных задач — затруднительно предсказать, какой формой должна обладать молекула, чтобы связаться с нужной мишенью. Российские ученые и их зарубежные коллеги разработали новую методику моделирования модифицированных аптамеров с длиной, меньшей, чем у их предшественников.

Нуклеиновые кислоты, к которым относятся ДНК и РНК, играют одну из главных ролей в функционировании любого живого существа. Они хранят в себе информацию о развитии организма, его физиологии и эволюции. Они не только кодируют в себе информацию о белках, но и выполняют множество важных функций, включая регуляцию генов. Например, короткие одноцепочечные РНК легко формируют сложные комплексы, в том числе рибозимы. Рибозимы — особые молекулы РНК, способные оказывать ферментативное действие, подобное белкам. Именно поэтому считается, что именно рибозимы могли существовать задолго до возникновения первой живой клетки, катализировать свое собственное размножение и мутировать в процессе химической эволюции, способствовав появлению жизни на Земле.

Благодаря прогрессу в области молекулярной биологии и бионанотехнологии одноцепочечные ДНК (оцДНК) стали полезным инструментом для медицины. Длинные оцДНК используются для конструирования ДНК-оригами — молекул почти любой формы, что подходит для создания новых наноматериалов, вычислительных устройств и даже ДНК-компьютеров. Короткие нуклеиновые кислоты, также называемые олигонуклеотидами, способны имитировать антитела — белки крови, распознающие и нейтрализующие патогены, включая вирусы и раковые клетки. ДНК-аналоги антител относятся к аптамерам, то есть молекулам, способным специфически связываться с молекулами-мишенями.

Ученые МГУ и Красноярского научного центра совместно с коллегами из Финляндии, Германии, Канады, Японии и США решили сложную задачу оптимизации молекулы-аптамера для диагностики раковых клеток. В отличие от предшествующего ему соединения, у новой последовательности на 45 нуклеотидов меньше. Такое усечение сделало функции аптамера оптимальными и позволило улучшить связывание молекулы с клетками опухоли за счет его большей специфичности к специфическим белкам-мишеням.

Исследователи предложили новый протокол для моделирования структуры аптамера в будущем. Для этого нужно применить малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS), которое является мощным методом, позволяющим наблюдать за структурными переходами биологических молекул в растворах, подобных среде внутри живого организма. SAXS помогает определить форму аптамера в эксперименте. После этого нужно провести первоначальное молекулярное моделирование с использованием различных вычислительных методов, после чего данные из экспериментов и теоретических расчетов сравниваются друг с другом.

Предложенная процедура также может быть использована для анализа комплексов аптамер-мишень в будущем. Получив надежную атомистическую структуру в результате моделирования, можно рационализировать связывание аптамера с мишенью, например, белком. Это может быть очень полезно при разработке новых, более эффективных аптамеров на основе данных, полученных в результате молекулярного моделирования.

Аптамеры, обладающие высокой специфичностью к мишеням и чувствительностью, универсальными биофизическими и фармакокинетическими свойствами, заняли прочную нишу на рынке терапевтических препаратов и утвердились в качестве многообещающего нового класса лекарственных соединений. Можно ожидать, что благодаря эффективным методам моделирования такие соединения получат еще большее распространение и станут широко использоваться в борьбе с вирусными и бактериальными инфекциями, онкологическими заболеваниями, в диагностике генетических и других расстройств.