В чем состоят преимущества лекарственного использования ДНК по сравнению с антителами? Какие существуют методы химического синтеза ДНК? Как создать лекарство, действующее 15 минут? На эти и другие вопросы отвечает кандидат химических наук Андрей Головин.

Давайте представим себе, как работают современные лекарства — это небольшие молекулы, которые получают химическим синтезом. Особенности этих молекул в том, что они обладают некой комплементарностью, поверхностью белка или ДНК, которыми они взаимодействуют, и эта комплементарность обуславливает специфичность и узнавание этой молекулой нужного объекта. Но мы знаем, что в клетке подобную же роль играют не только малые, небольшие органические молекулы, но и большие биополимеры, такие как белки и ДНК, и эта роль сформировалась у этих молекул в ходе эволюции.

Встает вопрос: можем ли мы как-нибудь, используя современные подходы молекулярной биологии, химии, добиться того, чтобы эволюция происходила гораздо быстрее и мы могли бы наблюдать эволюцию в пробирке? Такой подход существует, называется этот метод SELEX. Суть его состоит в том, что исходно с помощью метода химического синтеза получается большое разнообразие разных молекул ДНК примерно одинаковой длины. Надо оговориться, что это может быть не только ДНК, но и РНК. После чего методом последовательного обогащения и амплификации происходит естественный отбор тех молекул, которые способны связываться с заранее заданной мишенью.

И тут наступает самое любопытное. На сегодняшний момент можно найти статьи, в которых сообщается о том, что мишенью может быть маленькая молекула, например АТФ, может быть молекула побольше — белок, может быть клетка целиком, может быть еще что-нибудь, что действительно обладает некой поверхностью, которой может отобраться структура ДНК с комплементарной поверхностью. Надо хорошо понимать, что есть разница между комплементарностью ДНК, когда одна буква соответствует другой, и комплементарностью поверхности. Естественно, комплементарность поверхности предполагает сложную трехмерную структуру.

Рекомендуем по этой теме:
11292
Необычные формы ДНК

Результат использования процедуры SELEX по отношению к какой-либо молекуле или мишени приводит к тому, что мы находим последовательности, способные образовывать сложную трехмерную пространственную структуру, которая комплементарна выбранной заранее мишени. И если мы знаем эту последовательность, то мы можем потом синтезировать снова любую ДНК, и она все равно будет образовывать эту самую структуру. То есть достаточно один раз с помощью SELEX найти последовательность, которая способна взаимодействовать с той или иной мишенью, и после этого мы уже знаем, что существует некая последовательность, которая образует сложную трехмерную структуру и будет узнавать эту мишень. Дальше мы можем эту последовательность нарабатывать химическим способом, создавать условия, для того чтобы образовалась трехмерная структура, и использовать это в своих целях. Какие могут быть цели? А цели могут быть совершенно разнообразные. Это может быть аналог антитела, то есть это аптамер, молекула ДНК, она будет связывать какой-то белок и влиять на его функцию.

В чем вообще идея использовать ДНК как аналоги антител? Дело в том, что надо понимать, что в современный момент вы можете в аптеке купить антитела как лекарства. Стоимость, могу я вам сказать, достаточно значимая — это десятки тысяч рублей. А все вызвано тем, что антитела получают, как бы это смешно ни звучало, например, из специальной линии клеток хомячка. Не беспокойтесь, хомячков не убивают массово ради этих антител — просто наращивают эту культуру. И выделение из культуры — это достаточно сложный процесс, в котором возможны большие потери и куча других проблем. И, естественно, выделение живых субстанций приводит к тому, что в этих субстанциях могут присутствовать всякие токсины, дополнительные аллергенные компоненты и так далее. Это очень сложный процесс, что приводит к высокой цене подобных продуктов.

Если мы перейдем к химическому синтезу — а ДНК можно синтезировать химически, — то после этого все становится гораздо проще. Нам не нужно настолько сильно чистить, ведь большинство современных известных лекарств синтезируется химически. Таким образом, получается, что мы можем добиться такого эффекта, как антитело, синтезировав ДНК-аптамер к какому-то белку, которым нужно повлиять на его функцию. А с другой стороны, мы синтезируем его химически — это вполне отработанные процессы на сегодняшний момент, которые позволяют нам получать чистые химические вещества.

В чем еще одна забавная особенность подобных веществ, лекарств?

Подобная ДНК синтезируется блочно, то есть понуклеотидно, добавляя каждый нуклеотид, — это как конструктор.

И в этот конструктор можно добавлять измененные основания, дополнительные добавки на концы молекул, для того чтобы влиять на ее свойства: время жизни в крови, скорость выведения почками и так далее. И самое интересное, что эти модификации делаются очень просто — в ходе химического синтеза. И мы можем подбирать для этих лекарств — будем называть аптамеры кандидатами на лекарства — такую конструкцию, которая будет удовлетворять требованиям, выдвигаемым врачом. Допустим, если нам нужен аптамер, который действует 15 минут — ведь достаточно тяжело себе придумать органическое вещество, которое за 15 минут полностью выводится из организма, — здесь это не проблема. Вы просто берете голую ДНК, и она действительно циркулирует в кровотоке где-то 15–20 минут и потом достаточно просто выводится почками.

Таким образом, введя это лекарство — оно действует 15 минут, — врач может что-то сделать, он может четко контролировать время, и после окончания действия лекарство абсолютно исчезает, ведь ДНК — это такой же компонент нашей клетки, как и все остальное, то есть оно абсолютно биодеградируемо, и не будет никакого накопления побочных продуктов. И, как результат, можно сказать, что аптамеры в принципе являются потенциально очень перспективным классом соединений для использования не только в терапевтике, но и в диагностике.

Но есть один недостаток. Дело в том, что процедура SELEX предполагает отбор из библиотеки случайных последовательностей. Для того чтобы добиться полной представленности этой библиотеки, современные возможности химического синтеза недостаточны, поэтому часто бывает необходимо после метода SELEX доводить какими-то способами до оптимального состояния для этой молекулы. То есть мы на самом деле после SELEX не получаем готовые последовательности — лекарства, а какую-то заготовку, и в нее надо вложить еще много труда, создать из нее ту молекулу, которая должна удовлетворять, допустим, требованиям врача или каким-нибудь другим требованиям. Но основной плюс такого подхода состоит в том, что строение ДНК модульное, блочное, любую букву можно в любой момент заменить в ходе химического синтеза, и это действительно просто.

Естественно, основной проблемой этой области является то, что не всегда результаты, которые получаются после применения такой простой процедуры, как SELEX, приемлемы для использования, и часто для оптимизации подобных вещей уже начинают применять роботизированные комплексы. Допустим, когда идет отбор нужных кандидатов не просто руками одного исследователя, а робота, который может делать очень много операций в разных условиях. Таким образом, можно найти самую лучшую молекулу среди большого пула, который у нас был на входе. Здесь, наверное, можно сказать о том, что количество вариантов — это примерно 1015–1020 входных молекул, то есть их много.

Рекомендуем по этой теме:
4710
Нанотрубки и ДНК

Какие могут быть перспективы в этой области? Проблемы я уже более-менее описал, и они состоят в том, что не всегда можно найти самый удачный вариант — его надо дорабатывать, а если нашелся удачный вариант, то добиться того, чтобы он использовался по назначению в организме, еще сложнее, потому что ДНК — это не совсем та молекула, которая удачно проходит сквозь мембрану, не очень хорошо диффундирует в тканях по причине своего большого размера. Поэтому здесь еще много работы, которая позволила бы обеспечить доставку, хотя доставка является известной проблемой не только для аптамеров, но и практически для всех терапевтических веществ.

Но будущее, конечно, благодаря успехам развития именно химического синтеза ДНК, достаточно радужное. Почему? Потому что, во-первых, у нас на текущий момент постоянно снижается стоимость синтеза одной молекулы, и, самое главное, уже большие корпорации начинают интересоваться синтезированием ДНК не в микрограммных, не в миллиграммных количествах, а в килограммных. Уже есть доклады о синтезе нуклеиновых кислот в шкале 100 килограмм ДНК, это делается в основном в Японии и Корее. Поэтому хочется надеяться, что именно этот перспективный класс соединений, благодаря развитию масштабного производства ДНК или РНК, в будущем будет играть важную роль в лечении болезней, и будем надеяться, что таким образом мы добьемся того, что органические соединения, которые могут откладываться в тканях человека, исчезнут из наших аптек, а останутся только натуральные компоненты.