Улучшенный древовидный полимер поможет в создании новых ДНК-вакцин, лекарств и сенсоров

Российские ученые придумали, как можно сохранять молекулы ДНК. Они заключили нуклеиновую кислоту в оболочку из древовидного полимера, которая не только защитила ДНК от разрушения в воде даже при комнатной температуре, но и оказалась безопасной для клеток. При этом процесс ее синтеза прост и дешев, а предложенная методика позволяет получать целый набор оболочек с различными свойствами. Разработка поможет в создании сенсорных устройств и препаратов для профилактики и лечения заболеваний, в частности таких как герпес и COVID-19. Статья по работе, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликована в International Journal of Molecular Sciences.

Молекулы ДНК активно используются в современной медицине: на их основе разрабатывают новые эффективные вакцины и сенсоры биологически активных веществ, их применяют для создания полезных штаммов микроорганизмов и в различных исследованиях. Такое широкое применение сделало актуальным направление исследований, посвященное созданию систем хранения ДНК в лаборатории.

Самый простой и наиболее распространенный способ — заморозка. Однако при этом ДНК может повредиться, и не всегда понятно, как повлияет на ее структуру длительное хранение в морозильной камере и последующая разморозка; все это еще с учетом того, что образцы изначально могут быть не лучшего качества. Альтернативный способ — химическая инкапсуляция, то есть помещение ДНК в полимерную оболочку. 

В настоящее время активно изучаются дендримеры как синтетические невирусные системы доставки и хранения ДНК. Выглядеть такие конструкции могут по-разному, но наиболее интересны структуры, в которых молекула нуклеиновой кислоты окружена дендримерами, напоминающими внешне стволы деревьев (ядра дендримера) с раскидистыми ветвями. Вместе с молекулой ДНК они образовывают так называемые дендриплексы, которые также используются для доставки лекарственных веществ. В таких комплексах молекула ДНК обычно оказывается в более компактной форме, чем когда она находится в свободном состоянии.

Российские ученые из Химического института имени А. М. Бутлерова Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань) взяли за основу один из классических видов таких «древовидных» композитов — полиамидоаминный (ПАМАМ), который сам по себе довольно сложен в получении, а еще токсичен для живых клеток. Они предложили методику, позволяющую при комнатной температуре получать новый тип дендримеров с высокими выходами 97-98% всего в два этапа, что намного быстрее и проще. В качестве «ствола» дендримера авторы использовали безопасные для клеток тиакаликсарены. Благодаря новому типу ядра удалось добиться различного расположения ветвей в дендримере, что привело к получению структур с ранее недоступными свойствами. В частности, наличие гидрофильных ветвей ПАМАМ и гидрофобного тиакаликсарена в молекуле дендримера привело к сочетанию этих свойств в продукте, благодаря чему оболочка из него смогла надежно защитить ДНК от раствора вокруг. В своем классическом виде композиты таким свойством не обладали.

Авторы опробовали свою разработку на ДНК из молок лосося. Новые дендримеры эффективно связывались с молекулами нуклеиновой кислоты и защищали ее от разрушения в воде даже при комнатной температуре. 

«Таким образом, "замена" ядра позволила нивелировать недостатки известных ПАМАМ-дендримеров и придать им ранее недоступные свойства. Новые соединения требуют значительно меньше трудовых и экономических затрат, а внедрение такого метода инкапсуляции позволит разрабатывать более эффективные системы доставки, стабилизации и хранения ДНК. В дальнейшем мы планируем применить полученные дендримеры в ДНК-сенсорах. Наша разработка может быть востребована и при создании вакцин для профилактики опасных заболеваний человека, в частности COVID-19», —добавил руководитель проекта по гранту РНФ Иван Стойков, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой органической и медицинской химии Химического института имени А. М. Бутлерова Казанского (Приволжского) федерального университета.