Российские физики наделили нано- и микрочастицы способностью производить логические вычисления с помощью биохимических реакций.

Осуществление логических операций внутри клеток или в искусственных биомолекулярных системах представляет собой путь к управлению биологическими процессами и к созданию медицинских микро- и нанороботов, способных, например, доставлять лекарство строго по расписанию в те клетки, где оно необходимо, проводить анализ крови и других биоматериалов, служить датчиками.

Конструкции логических элементов с использованием наночастиц.

Двоичными вычислениями внутри клеток с помощью биомолекул (на основе ДНК, РНК и белков) во всем мире широко занимаются уже более десяти лет. Это направление получило название биокомпьютинг. Но в работе российских исследователей впервые предложен и экспериментально подтвержден способ, в котором любая логическая функция может быть выполнена нано- или микрочастицей, причем за пределами клеток. Сложность такого внеклеточного биокомпьютинга в отсутствии вне клетки естественных структур, которые могли бы помочь провести вычисления. Это первый метод, реализующий любую логическую функцию без использования молекул ДНК. В данной работе использовались как нано- (то есть 100 нанометров), так и микро- (3000 нм) частицы. 

При проведении двоичных вычислений в электронных цепях логические элементы оперируют током или напряжением, например, есть напряжение — «1», нет — «0». Элемент, осуществляющий определенную логическую операцию, имеет входы, на которые подаются 1 или 0, после чего на выходе появляется результат – тоже 1 или 0. Например, если на оба входа логического элемента «И» подать 1, то и на выходе будет 1. А если 1 и 0, то на выходе будет 0.

В биохимических системах при вычислениях с помощью биомолекул входом является наличие определенных веществ и на выходе может быть появление какого-то определенного вещества, которое может осуществлять воздействие на биологические системы. Например, можно представить себе такую биокомпьютерную систему, которая выполняет логическую функцию «И», отслеживая в крови уровень сахара (1 – много сахара) и инсулина (1 – инсулина мало). В случае получения на входе двух 1 такая система даст команду на повышение уровня инсулина. До создания такой системы еще далеко, но ее перспективность очевидна. 

Вычисления наночастицы производят за счет специально подобранного по составу внешнего слоя, который по-разному «разбирается» при воздействии различных комбинаций входов. Например, для реализации логического «И» сферическая наночастица покрывалась слоем молекул, которые удерживали вокруг частицы слой частиц меньшего диаметра.
Такие молекулы, как замки, удерживающие внешнюю оболочку, были двух типов. Каждый тип молекул реагировал только на свой вход, и при контакте одновременно с двумя разными веществами происходило отделение малых частиц от поверхности большей по диаметру наночастицы. Удаление внешнего слоя обнажало активные участки внутренней частицы, и она получала возможность взаимодействовать со своей мишенью. Таким образом, ученым удалось заставить частицы обработать биохимическую информацию и получить в ответ на два сигнала один.

Чтобы продемонстрировать это, в новой работе для скрепления наночастиц друг с другом были выбраны антитела. Эти естественные белки иммунной системы имеют небольшой активный участок, который реагирует только на определенные молекулы; высокая избирательность антител используется организмом для адресной нейтрализации бактерий и других патогенов. 

Убедившись в том, что сочетание наночастиц разных типов с антителами способно реализовывать разного рода логические операции, исследователи также продемонстрировали возможность применения их для адресного взаимодействия с раковыми клетками.
 Результаты работы опубликованы в одном из самых цитируемых научных журналов Nature Nanotechnology. Стоит отметить, что это первая за несколько лет экспериментальная работа, сделанная российским коллективом. 

 По материалам МФТИ