Budowa nanocząstki DNA, która będzie zarówno nośnikiem, jak i lekiem • Serwis informacyjny • Uniwersytet Stanowy Iowa
Eric Henderson w swoim laboratorium, gdzie profesor genetyki, rozwoju i biologii komórki współpracował z doktorantem Chang-Yongiem Oh, aby stworzyć nanocząsteczkę DNA zdolną do ekspresji własnego kodu genetycznego. Zdjęcie: Christopher Gannon. Większy obraz.
AMES, Iowa – Naukowcy wytwarzają nanocząsteczki z nici DNA od dwudziestu lat, manipulując wiązaniami utrzymującymi podwójną helisę DNA, aby wyrzeźbić samoorganizujące się struktury, które pewnego dnia będą mogły znaleźć oszałamiające zastosowania medyczne.
Badania nanocząstek DNA skupiały się jednak głównie na ich architekturze, przekształcając kod genetyczny życia w komponenty do wytwarzania maleńkich robotów. Para badaczy z Uniwersytetu Stanowego Iowa na wydziale genetyki, rozwoju i biologii komórki – profesor Eric Henderson i niedawny doktorant Chang-Yong Oh – ma nadzieję to zmienić, pokazując, że materiały w skali nano wykonane z DNA mogą przekazywać wbudowane instrukcje genetyczne.
„Jak dotąd większość ludzi badała nanocząstki DNA z inżynierskiego punktu widzenia. Niewiele uwagi poświęcono informacjom zawartym w tych niciach DNA” – powiedział Oh.
W niedawnym artykule opublikowanym w recenzowanym czasopiśmie Scientific Reports Henderson i Oh opisali, w jaki sposób skonstruowali nanocząstki DNA zdolne do ekspresji kodu genetycznego. Posiadanie zdolności do przenoszenia genów zwiększa potencjał nanotechnologii DNA.
„Struktury te mogą być zarówno nośnikiem, jak i lekiem” – powiedział Henderson.
Henderson i Oh powiedzieli, że należą do pierwszych zespołów badawczych na świecie, którzy stworzyli nanocząsteczkę DNA wyrażającą jej kod genetyczny. Fundacja Badawcza Uniwersytetu Stanowego Iowa złożyła wniosek patentowy związany z badaniami w 2023 roku.
Udane konstrukcje
Henderson przybył do stanu Iowa w 1987 r., ale przez 14 lat dzielił swój czas na budowanie startupu o nazwie BioForce Nanosciences. Po powrocie do stanu Iowa na pełny etat w 2008 roku rozpoczął pracę nad origami DNA – nowo opracowaną metodą tworzenia samoorganizujących się złożonych nanostruktur z długich pojedynczych nici DNA. Henderson i była studentka Divita Mathur, obecnie adiunkt na Uniwersytecie Case Western, zaprojektowali nanomaszynowy biosensor, który może wykrywać patogeny.
Ta praca pozostawiła niezatartą myśl: co z genami, które niosą te struktury? Czy origami DNA mogłoby wyrazić zintegrowaną w sobie informację genetyczną?
Na tym obrazie z mikroskopu elektronowego uwydatniono cztery nanostruktury DNA, dwie stykające się ze sobą. Struktury są nieco dłuższe niż 50 nanometrów. Nanometr to jedna milionowa centymetra. Dzięki uprzejmości Erica Hendersona. Większy obraz.
Pierwszym krokiem było wymyślenie, jak stworzyć origami DNA z pojedynczych nici o określonych sekwencjach genetycznych, w przeciwieństwie do nici tradycyjnie używanych do tworzenia nanocząstek. Zajęło to kilka lat. Następnym krokiem było ustalenie, czy polimeraza RNA, enzym tworzący cząsteczki RNA z kodów DNA, może poruszać się po rozległych fałdach origami DNA – powiedział Henderson. Szczególną obawę budziło to, czy polimeraza będzie blokowana przez skrzyżowania, czyli połączenia, w których długie nici DNA są połączone krótkimi fragmentami DNA zwanymi zszywkami.
„Okazuje się, że tak nie jest, co jest sprzeczne z intuicją” – powiedział Henderson.
Chociaż krzyżowania i złożona architektura nie zatrzymują procesu transkrypcji tworzącej RNA, konstrukcja nanostruktury DNA wpływa na wydajność transkrypcji. Gęste struktury wytwarzają mniej RNA, co oznacza, że projekt nanocząstek można dostosować tak, aby hamował lub promował zamierzone funkcje, powiedział Oh.
„Moglibyśmy stworzyć skuteczny system ukierunkowanego dostarczania, który ma potencjał w wielu dziedzinach, w tym w terapii nowotworów” – powiedział.
Niedrogie i trwałe
Potencjał precyzji jest częścią tego, co sprawia, że nanocząstki DNA są ekscytującą możliwością, powiedział Henderson.
„Edycja genów ma niesamowitą moc, ale jedną z najtrudniejszych części edycji genów jest edycja tylko tych genów, które chcesz edytować. Oto marzenie: dopracować te nanocząsteczki tak, aby działały na określone komórki i tkanki” – powiedział.
Ale nanocząstki DNA mają inne ważne zalety. Są łatwe w wykonaniu, niedrogie i trwałe. Doprowadzenie do samoorganizacji nanocząstek jest tak proste, jak podgrzanie mieszaniny i pozostawienie jej do ostygnięcia, bez konieczności stosowania specjalnego sprzętu, powiedział Oh.
Częściowo dzięki wszechobecności badań DNA, wytwarzanie nici i zszywek jest niedrogie. Mimo że używają ich codziennie, Henderson i Oh wciąż przeglądają paczkę zszywek kupioną kilka lat temu od producenta z Coralville za kilkaset dolarów.
A komponenty, które można przechowywać w postaci proszku, mają długi okres trwałości, nawet w najtrudniejszych warunkach, powiedział Henderson. To technologia, która może łatwo się rozprzestrzenić.
„DNA jest bardzo stabilne. Odzyskano go z próbek mających ponad milion lat” – powiedział.
