Тела сложения: ДНК-оригами позволит выявлять вирусы с помощью обычного телефона

В России начала работу первая экспериментальная лаборатория ДНК-оригами. Это методика, в которой молекулы с генетической информацией используются в качестве материала для создания наноструктур любой формы и назначения. С ее помощью ученые планируют создавать сенсоры для выявления вирусов с использованием простого мобильного телефона, а также элементы фотонного компьютера, молекулярных нанороботов и многое другое. Специалисты ищут механизм, который позволит выстраивать молекулы на чипах с нанометровой точностью, что может стать революцией в микроэлектронике. По словам экспертов, пока ДНК-оригами далеко от практического внедрения, однако работа над этим уже началась.

Первая лаборатория ДНК-оригами

В Центре инженерной физики «Сколтеха» начала работу лаборатория ДНК-оригами. Это первое в России экспериментальное научное подразделение, которое целенаправленно занимается новой областью нанотехнологий. Она позволяет использовать ДНК не только как носитель генетической информации, но и как строительный материал для создания миниатюрных конструкций самой разной формы и назначения. В планах ученых — разработать миниатюрные сенсоры, элементы квантовых компьютеров, делать поверхности со свойствами кожи хамелеона, молекулярных роботов и многое другое.

Помещение лаборатории, октябрь 2024

Фото: Ирина Мартыненко

— Наша лаборатория мультидисциплинарная. Мы работаем на стыке физики, биофизики, инженерии, оптики, фотоники и молекулярной биологии. Наша основная идея — использовать молекулы ДНК для создания ультраминиатюрных устройств на чипе, которые могут управлять светом. Одна из наших уникальных задач — научиться точно размещать ДНК-структуры на поверхности с точностью до нанометра. Отдельные молекулы необходимо точно «приклеить» в нужное место на чипе, чтобы создавать управляемые материалы, которые будут нужным образом реагировать на свет, менять форму или передавать сигналы, — сказала руководитель лабораторией ДНК-оригами Ирина Мартыненко.

Наука в кубе: в РФ создали установку для сверхточного исследования клеток

Как новый прибор поможет выращивать ткани и органы в мини-лабораториях

Так, будут разработаны метаповерхности, которые придут на замену традиционной оптики в виде очень тонких, точных и компактных аналогов линз. На их основе, например, можно создать биочип размером 1 см² для детектирования одиночных биомолекул. Это будет устройство, на которое можно поместить пробу слюны, сфотографировать ее на обычный телефон и узнать, какие вирусы она содержит.

Методика ДНК-оригами известна в мире уже более 20 лет, но в России первые экспериментальные исследования только начинаются. Отечественные специалисты прошли обучение у одного из пионеров этого направления — профессора Тима Лидла из Мюнхенского университета.

Помещение лаборатории, июль 2025 года

Фото: Ирина Мартыненко

— Все эксперименты мы делаем своими руками. Мы уже полностью освоили изготовление ДНК-оригами, не зависим от зарубежных поставщиков: все необходимые материалы закупаем у российских компаний, — сказала Ирина Мартыненко.

Ученые также планируют перенять природные механизмы, изучая естественные процессы молекулярной самосборки. Например, в фотосинтетических комплексах растений молекулы выстроены с нанометрической точностью, хотя суммарная площадь поверхности листьев одного дерева может достигать десятков и даже сотен квадратных метров. Если удастся воспроизвести этот принцип, можно будет создавать чипы, на которых миллионы молекул займут строго отведенные позиции.

Кроме оптических технологий, в планах ученых — производство молекулярных нанороботов для медицины. Это будут или миниатюрные доставщики лекарств прямо к больной клетке, или элементы искусственных клеток. Также специалисты собираются создать трехмерные структуры размером до кубического сантиметра, собранные из тысяч ДНК-элементов.

Ученых свет: атомные часы и белки-аргонавты вошли в лучшие достижения исследователей РФ

Как их разработки помогут создать полезные устройства и улучшить жизнь людей

Применение в медицине и микроэлектронике

ДНК-оригами — это процесс самосборки, при котором длинная цепочка ДНК может формировать произвольные двумерные или трехмерные структуры. Они могут иметь заранее заданную геометрическую форму с нанометровой точностью, что делает их крайне привлекательными для нанофабрикации, необходимой для производства как современной электроники, так и фотонных схем и оптического компьютера, пояснил главный научный сотрудник физического факультета Университета ИТМО профессор Иван Иорш.

— Сейчас технология создания компонентов для оптических компьютеров в лабораторных условиях похожа на технологию создания чипов. Полупроводниковые подложки сначала облучаются ультрафиолетом или электронным пучком, а потом необходимые элементы вытравливаются из материала подложки. При этом критически важна их гладкость. А ДНК-оригами предлагает альтернативный подход — структуры «самособираются» из длинных цепочек ДНК. В первых экспериментах было показано, что таким образом можно получать очень качественные структуры с нанометровой гладкостью интерфейсов значительно проще, — сказал он «Известиям».

Для России эта технология — новинка. Ее развитие в нашей стране может упростить изготовление нанофотонных интегральных схем и, как следствие, приблизить распространение оптических компьютеров.

— Ключевых направлений применения ДНК-оригами — два. Первое — применение в медицине и биологии. Сам материал органичен человеку, не вызывает отторжения и стоек в сложных средах. На его основе можно делать системы адресной доставки лекарственных препаратов непосредственно в опухолевые клетки. Второе — наноэлектроника: создание малых и прочных интегральных схем, нанопроводов и других элементов, — сказал завлабораторией анализа показателей здоровья населения и цифровизации здравоохранения МФТИ Станислав Отставнов.

По словам эксперта, хотя технология пока далека от широкого промышленного внедрения, ее нельзя назвать лабораторной забавой, так как уже прорабатываются варианты использования в различных практических сферах деятельности.