Все исследования лаборатории «Молекулярной робототехники и биосенсорных материалов» ведутся преимущественно в двух направлениях: диагностика и терапия заболеваний.
Проекты подгруппы диагностики связаны с созданием и улучшением чувствительности дезоксирибозимов в различных прикладных и фундаментальных проектах. В своих исследованиях подгруппа использует два варианта ДНК-наносенсоров: дезоксирибозимные, для флуоресцентного сигнала, (рис. 1а) и сенсоры с G- квадруплексом, которые создают колориметрический сигнал (рис. 1б). ДНК-наносенсоры были подобраны на большое число мишеней, включая патогенов центральной нервной системы (в рамках создания мобильной тест-системы для Минздрава), коронавирус SARS-CoV-2, растительные патогены и другие.
Использование ДНК-наносенсоров имеет преимущества, по сравнению с существующими распространенными методами диагностики. В частности, ДНК-наносенсоры более чувствительны к однонуклеотидным заменам и не предполагают использования дорогих приборов и белковых реагентов. Это удешевляет производство, упрощает хранение и позволяет использовать ДНК-наносенсоры в условиях ограниченного финансирования или в приборах тестирования в месте оказания помощи.
а) б)
Рис. 1. Дизайн дезоксирибозима: а) с флуорофором на одном конце (F), создающий флуоресцентный сигнал (1); б) с G-квадруплексом, создающий колориметрический сигнал (2).
Вторая подгруппа проводит исследования, связанные с молекулярной терапией. Молекулярная терапия является одним из самых многообещающих подходов для эффективного лечения раковых заболеваний.
Двумя фундаментальными проблемами всех современных генно-терапевтических подходов к лечению рака, помимо внутриклеточной доставки, являются низкая селективность, приводящая к побочным эффектам, и низкая эффективность, которой недостаточно для уничтожения 100% раковых клеток. Это связано с тем, что в качестве мишеней в таких подходах используются гены, ответственные за развитие рака или устойчивости к химиотерапии. Чтобы добиться полного излечения от рака, необходимо нацелиться на гены, подавление которых может привести к гибели клеток, например, на гены домашнего хозяйства, ответственные за устойчивость клеток к апоптозу. Использование классических генно-терапевтических технологий невозможно для этой цели, потому что в таком случае апоптоз будет индуцироваться во всех клетках организма, что может вызвать сильные побочные эффекты.
Для решения данной проблемы подгруппа терапии занимаемся разработкой ДНК-наномашин на основе дезоксирибозимов и антисмысловых олигонуклеотидов для подавления генов домашнего хозяйства исключительно в раковых клетках (рис. 2, 3). Для достижения поставленной цели используются последние достижения ДНК-технологий для создания данных бинарных проб, способных активироваться только в присутствии раковых маркерных последовательностей.
Рис. 2. Дизайн дезоксирибозима, ДНК-машины для лечения рака (3).
Рис. 3. Дизайн тераностического ДНК-наноустройства (4).
1 — Mokany, E., Bone, S. M., Young, P. E., Doan, T. B., & Todd, A. V. (2010). MNAzymes, a Versatile New Class of Nucleic Acid Enzymes That Can Function as Biosensors and Molecular Switches. Journal of the American Chemical Society, 132(3), 1051–1059. doi:10.1021/ja9076777.
2 — Kolpashchikov, D. M. (2008). Split DNA Enzyme for Visual Single Nucleotide Polymorphism Typing. Journal of the American Chemical Society, 130(10), 2934–2935. doi:10.1021/ja711192e.
3 — Kolpashchikov, D. M., Nedorezova, D., Fakhardo, A. F. F., Nemirich, D. V. V., & Bryushkova, E. A. A. (2019). Towards DNA Nanomachines for Cancer Treatment: Achieving Selective and Efficient Cleavage of Folded RNA. Angewandte Chemie International Edition. doi:10.1002/anie.201900829.
4 — Spelkov, A. A., Goncharova, E. A., Savin, A. M., Kolpashchikov, D. M. (2020). Bifunctional RNA‐Targeting Deoxyribozyme Nanodevice as a Potential Theranostic Agent. Chemistry — European Journal, 26, 3489. doi: 10.1002/chem.201905528.