Naukowcy z West Virginia University są teraz w stanie przeglądać syntetyczne DNA na poziomie atomowym, co daje im możliwość zrozumienia, jak zmienić jego strukturę w nadziei na poprawę jego funkcji przypominającej nożyce. Dowiedzenie się więcej o tych reakcjach syntetycznego DNA może być kluczem do odblokowania nowej technologii w diagnostyce medycznej i leczeniu.

W świecie chemii odkrycia pomagają odpowiedzieć na 30-letnie pytanie dotyczące tej specyficznej struktury DNA i tego, jak naukowcy mogą wywołać reakcję bez zmiany samego DNA, procesu zwanego katalizą.

„To być może dopiero trzeci przykład, który daje wgląd, na bardzo szczegółowym poziomie atomowym, w to, w jaki sposób chemicznie aktywne DNA promuje ich unikalne funkcje, które nadają wszystkim tym aplikacjom moc” – powiedział Aaron Robart, profesor nadzwyczajny w Wydziale Biochemii i Medycyny Molekularnej WVU School of Medicine oraz główny badacz projektu, finansowanego przez konkurencyjną nagrodę Ralpha E. Powe Junior Wydziału. „Szczegóły atomowe dają nam długo poszukiwaną mapę drogową do rozpoczęcia budowy i ulepszania technologii, która może mieć szerokie zastosowanie w medycynie i diagnostyce”.

Robart powiedział, że gdy naukowcy zrozumieją, jak sprawić, by technologia działała wydajniej, teoretycznie mogłaby być stosowana w leczeniu chorób, takich jak zwyrodnienie siatkówki lub rak.

Odkrycia naukowców zostały opublikowane w Chemia komunikacjidziennik rodzinny Nature.

Robart zwraca uwagę, że syntetyczne DNA użyte w badaniu, znane jako DNAzymy, różni się od ludzkiego DNA. Stworzone w laboratorium DNAzymy są niedrogie w produkcji i zdolne do katalizowania reakcji chemicznych. Zostały sztucznie wyewoluowane do wykonywania takich funkcji, jak monitorowanie jakości powietrza i pomiar metali ciężkich, które przedostały się do gleby.

„Zazwyczaj myślimy o DNA jako bezwładnym, służącym jako jednostka pamięci dla naszej informacji genetycznej” – powiedział Robart. „Istnieją jednak pewne typy DNA wyewoluowane w laboratorium, które wymykają się konwencjonalnym zasadom. Te DNA mogą składać się w złożone kształty, umożliwiając im przeprowadzanie niezwykłego zakresu reakcji.

„Jedyny problem polega na tym, że po 30 latach badań tak naprawdę nie mieliśmy pojęcia, jak zachodzi jakakolwiek chemia. Jedną z największych rzeczy, których nam brakowało, było to, co nasze laboratorium robi z kryształami, czego rezultatem są struktury o wysokiej rozdzielczości pokazujące, jak kwasy nukleinowe wyglądają z dokładnością do atomu i jak mogą wykonywać całą tę chemię.

Aby móc zobaczyć DNA na poziomie atomowym, Robart i jego studenci laboratoryjni, Evan Cramer z Lake Ann w stanie Michigan, Sarah Starcovic z Cameron i Beka Avey z Martinsburga, współpracowali z Advanced Photon Source w amerykańskim Departamencie Energii Argonne National Laboratory w Chicago. Proces — krystalografia rentgenowska — polega na krystalizacji syntetycznego DNA, a następnie naświetleniu go supermocnymi promieniami rentgenowskimi w celu ujawnienia jego struktury. Współpracując z APS, zespół był w stanie kontrolować promieniowanie rentgenowskie i zbierać dane przez Internet.

„Korzystając z tych informacji, możemy lepiej zrozumieć, jak inne DNAzymy mogą zachowywać się w swoich reakcjach rozszczepienia” – powiedział Starcovic, który robi doktorat z biochemii i medycyny molekularnej.

Robart powiedział, że zobaczyli strukturę z małymi ramionami, które mogą sięgnąć, aby znaleźć kolejną sekcję komplementarnej sekwencji i zacisnąć się razem, podobnie jak mocuje się rzep.

„Te DNA mogą działać jak nożyce molekularne z precyzyjną specyficznością do cięcia RNA lub DNA, lub mogą działać jako klej” – wyjaśnił Robart. „Powiedzmy, że masz zmutowany gen, który powoduje chorobę, moglibyśmy wprowadzić to DNA do komórek i byłoby w stanie pozbyć się wszelkiego rodzaju wiadomości, które powodują białka, które prowadzą do choroby”.

Cramer, główny autor opublikowanego artykułu oraz doktorant biochemii i medycyny molekularnej, powiedział, że ma nadzieję, że przyszłe badania wypełnią luki w wiedzy do wdrożenia klinicznego.

„Trudno jest coś ulepszyć, gdy nie do końca wiadomo, jak to działa” – powiedział.

Niedawny Ruby Scholars Graduate Fellow, będzie kontynuował pracę w zespole badawczym dzięki stypendium BridgesDH NSF-NRT.

Robart powiedział, że następnym krokiem jest skupienie się na alternatywnych technikach wychwytywania DNAzymów w różnych punktach ich funkcji.

„Będzie to tak, jakbyśmy tworzyli oldschoolową animację molekularną” — powiedział Robart. „Ten poziom szczegółowości jest wykorzystywany do zrozumienia, jak poprawić, ukierunkować i regulować ich działalność. To tylko jedna z setek różnych odmian DNAzymów, z których każda ma swoje unikalne właściwości, aż prosi się o zastosowanie w zagadnieniach związanych ze zdrowiem człowieka”.

Powiedział, że ma również nadzieję uzyskać wgląd od kolegów z School of Medicine na temat tego, w jaki sposób systemy modelowe mogłyby zostać wykorzystane do celów terapeutycznych.

„Jesteśmy w wyjątkowym miejscu” — powiedział Robart. „Mamy potencjalne lekarstwo w poszukiwaniu choroby. Czuję się szczęśliwy, znajdując się w środowisku otoczonym przez tak wielu utalentowanych współpracowników w School of Medicine, którzy pomagają tej ekscytującej technologii osiągnąć pełny potencjał”.