Wyobraź sobie tworzenie i składanie maleńkich, skomplikowanych kształtów i struktur wykonanych z DNA, które mogą dostarczać leki do określonych celów w ciele, potencjalnie przeprogramowując organizm do zwalczania chorób, w tym raka.

Rak jest główną przyczyną chorób i śmierci w krajach rozwiniętych. W 2019 roku w samych Stanach Zjednoczonych zdiagnozowano raka u ponad 1,7 miliona osób; 600 000 przypadków okazało się śmiertelnych. Chociaż nowe terapie genowe, takie jak wirusy onkolityczne i terapia chimerycznymi receptorami antygenowymi (CAR)-komórkami T, okazały się skuteczne w późnych stadiach raka, ich wysokie koszty stanowią nieuzasadnione obciążenie dla pacjentów.

Odbiorca stypendium NSF Graduate Research Fellowship Bryan Ugaz. Zdjęcie: Mary Zhu/Szkoła Nauk Molekularnych
Pobierz pełny obraz

Aby zabiegi były bardziej dostępne i przystępne cenowo, doktorant Bryan Ugaz ze Szkoły Nauk Molekularnych Uniwersytetu Stanowego Arizony otrzymał wysoce konkurencyjny grant National Science Foundation Graduate Research Fellowship na prowadzenie badań z wykorzystaniem origami DNA jako systemu dostarczania genów do tworzenia anty -rakowe komórki T i komórki CAR-T in situ.

Obejmuje to użycie nanoklatki origami DNA jako „syntetycznego wirusa” do dostarczania genów do komórek T. Jeśli to podejście się powiedzie, umożliwiłoby to logicznie bramkowane, „zablokowane” nanostruktury, które uwalniają ładunek genetyczny tylko wtedy, gdy obecne są określone „klucze” RNA, które określają typ komórki. Ta praca miałaby potężne implikacje w immunoterapii i inżynierii genetycznej komórek T w celu zabicia raka.

W origami DNA genom wirusowy (nić rusztowania) jest składany w obiekt 2D/3D zdefiniowany przez użytkownika za pomocą serii krótkich nici zszywek o długości 20–60 par zasad, które selektywnie wiążą się z regionami genomu, generując pożądaną nanostrukturę. W porównaniu z ich odpowiednikami opartymi na wirusach lub lipidach, nanostruktury origami DNA są dynamiczne i adresowalne w miejscu.

Agencje federalne zatwierdziły terapie wykorzystujące komórki CAR-T i wirusy onkolityczne. Jeśli projekt się powiedzie, projekt ten położy ważne fundamenty pod zwiększenie dostępności obu terapii poprzez wykorzystanie potencjalnie tańszych materiałów (oligonukleotydów) i udostępnienie terapii do ogólnego użytku, a nie specyficznej dla pacjenta, co jest wadą obecnych terapii.

Ugaz prowadzi te badania z dwoma doradcami, profesorami School of Molecular Sciences, Jeremym Millsem i Nicholasem Stephanopoulosem.

Bryan Ugaz (w środku) z doradcami Nicholasem Stephanopoulosem (z lewej) i Jeremym Millsem. Zdjęcie: Mary Zhu/Szkoła Nauk Molekularnych

„Praca Bryana koncentruje się na wykorzystaniu programowalnych nanostruktur DNA do szablonowania złożonych i wysoce asymetrycznych nanostruktur opartych na białkach” – powiedział Stephanopoulos. „Jednym z największych ograniczeń projektowania białek w nanotechnologii jest to, że nadal trudno jest tworzyć kształty przy złożoności origami DNA” , ze względu na brak potrzebnych unikalnych interfejsów białko-białko. W efekcie praca Bryana „podpina się” pod adresowalność nanostruktur DNA, aby przyłączać białka w określonych miejscach i łączyć je sieciowo w nowe i adresowalne kształty.

Mills dodał: „Wśród unikalnych podejść, które Bryan wybrał, aby sprostać tym trudnym celom, jest włączenie do tych białek niekanonicznych aminokwasów (aminokwasów, które nie występują w naturze, ncAA). Wykorzystanie funkcjonalnych ncAA w inżynierii białek jest wysoce innowacyjne i umożliwi nowe funkcje tych materiałów białkowych, które nie są możliwe w przyrodzie”.

Mills i Stephanopoulos zgodzili się co do świetlanej przyszłości Ugaza.

„Bryan jest pracowitym i wysoce innowacyjnym studentem, który zawsze ma nowe pomysły i eksperymenty do wypróbowania” — powiedział Mills.

Stephanopoulos powiedział: „NSF GRFP to wielkie uznanie dla ich potencjału, a obaj doradcy mają nadzieję na wiele ekscytujących projektów w nadchodzących latach”.