Bioinżynierowie znaleźli sposób na zaprogramowanie rozmiaru i kształtu cząstek wirusa poprzez połączenie bloków budulcowych białek wirusowych i szablonów wykonanych z DNA. Powstałe nanostruktury mogą znaleźć zastosowanie w opracowywaniu szczepionek i transporcie leków w organizmie.

Białka kapsydu wirusa — białka osłaniające genom wirusa — można wykorzystać do zbudowania precyzyjnie ustrukturyzowanych zespołów białkowych. Ich kształty i geometria zależą jednak w dużej mierze od szczepu wirusa. Przeprogramowanie tych zespołów, bez względu na oryginalny plan wirusa, jest intrygującą możliwością dostarczania leków i opracowywania szczepionek.

Naukowcy sprostali temu wyzwaniu, generując szablon „genomu strukturalnego”, na którym mogą składać się białka kapsydu. Aby uniknąć deformacji elastycznego genomu i tworzenia niezamierzonych kształtów, zastosowali sztywne struktury origami DNA. Struktury te mają długość zaledwie od dziesiątek do setek nanometrów, ale w całości składają się z DNA, które jest dokładnie złożone w pożądany kształt szablonu.

„Nasze podejście opiera się na oddziaływaniach elektrostatycznych między ujemnym ładunkiem nanostruktur DNA a dodatnio naładowaną domeną białek kapsydu, w połączeniu z wewnętrznymi interakcjami między pojedynczymi białkami. Zmieniając ilość użytego białka, możemy dostroić liczbę wysoce uporządkowanych warstw białkowych, które otaczają DNA origami” – mówi Iris Seitz, naczelna autorka i doktorantka z Uniwersytetu Aalto.

„Używając origami DNA jako szablonu, możemy skierować białka kapsydu do rozmiaru i kształtu zdefiniowanego przez użytkownika, w wyniku czego powstają zespoły, które są dobrze zdefiniowane, zarówno pod względem długości, jak i średnicy. Testując różne struktury origami DNA, dowiedzieliśmy się również, w jaki sposób geometria szablonów wpłynęła na cały zespół” – dodaje Seitz.

„Za pomocą obrazowania za pomocą kriogenicznej mikroskopii elektronowej byliśmy w stanie zwizualizować wysoce uporządkowane białka po złożeniu, a dzięki temu zmierzyć nawet niewielkie zmiany w geometrii złożenia wynikające z różnych szablonów” – wyjaśnia profesor Juha Huiskonen, współpracujący naukowiec z Uniwersytetu Helsińskiego.

„Znaleźliśmy prostą, ale skuteczną strategię (prze)kierowania białek kapsydu do pożądanego kształtu. Nasze podejście jest elastyczne i dlatego nie ogranicza się do jednego typu białka kapsydu, jak wykazaliśmy z białkami kapsydu z czterech różnych wirusów. Ponadto możemy zmodyfikować nasz szablon, aby był bardziej odpowiedni do zastosowania, na przykład poprzez włączenie RNA do origami, które następnie można przekształcić w użyteczne lub specyficzne dla miejsca białka” – wyjaśnia profesor Aalto, Mauri Kostiainen, kierownik projektu badawczego.

Chociaż struktury origami DNA są obiecującym materiałem do łączenia systemów biologicznych, cierpią na niestabilność, zwłaszcza w obecności enzymów degradujących DNA.

W eksperymentach jednak „możemy wyraźnie zaobserwować, że warstwa białkowa skutecznie chroni zamknięte w kapsułkach nanostruktury DNA przed degradacją. Wierzymy, że dzięki połączeniu ochrony z właściwościami funkcjonalnymi origami kwasu nukleinowego, w tym możliwością dostarczania DNA lub informacyjnego RNA wraz z innymi cząsteczkami cargo, nasze podejście zapewnia interesujące przyszłe kierunki inżynierii biomedycznej” – podsumowuje Kostiainen.

Prace te prowadzono wspólnie na Uniwersytecie Aalto (Finlandia) z naukowcami z Uniwersytetu Helsińskiego (Finlandia), Uniwersytetu Griffith (Australia), Uniwersytetu Tampere (Finlandia) i Uniwersytetu Twente (Holandia).