Chemici gebruiken DNA om ’s werelds kleinste antenne te bouwen

Onderzoekers van de Université de Montréal hebben een nanoantenne gemaakt om de bewegingen van eiwitten te volgen. Deze week gemeld in Natuur Methoden, het apparaat is een nieuwe methode om de structurele verandering van eiwitten in de loop van de tijd te volgen – en kan een grote bijdrage leveren aan het helpen van wetenschappers om natuurlijke en door de mens ontworpen nanotechnologieën beter te begrijpen.

“De resultaten zijn zo opwindend dat we momenteel werken aan het opzetten van een startend bedrijf om deze nanoantenne te commercialiseren en beschikbaar te maken voor de meeste onderzoekers en de farmaceutische industrie”, zegt UdeM-professor chemie Alexis Vallée-Bélisle, senior auteur van het onderzoek.

Een antenne die werkt als een portofoon

Meer dan 40 jaar geleden vonden onderzoekers de eerste DNA-synthesizer uit om moleculen te maken die coderen voor genetische informatie. “De afgelopen jaren hebben scheikundigen zich gerealiseerd dat DNA ook kan worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan nanostructuren en nanomachines te bouwen”, voegde de onderzoeker eraan toe, die ook de Canada Research Chair in Bioengineering and Bionanotechnology bekleedt.

“Geïnspireerd door de ‘Lego-achtige’ eigenschappen van DNA, met bouwstenen die doorgaans 20.000 keer kleiner zijn dan een mensenhaar, hebben we een op DNA gebaseerde fluorescerende nanoantenne gemaakt, die kan helpen de functie van eiwitten te karakteriseren,” zei hij.

“Net als een tweerichtingsradio die radiogolven kan ontvangen en verzenden, ontvangt de fluorescerende nanoantenne licht in één kleur of golflengte, en afhankelijk van de eiwitbeweging die hij waarneemt, zendt hij licht terug in een andere kleur, die we kunnen detecteren. “

Een van de belangrijkste innovaties van deze nanoantennes is dat het ontvangergedeelte van de antenne ook wordt gebruikt om het moleculaire oppervlak van het bestudeerde eiwit te detecteren via moleculaire interactie.

Een van de belangrijkste voordelen van het gebruik van DNA om deze nanoantennes te bouwen, is dat de DNA-chemie relatief eenvoudig en programmeerbaar is”, zegt Scott Harroun, een UdeM-doctoraatsstudent in de chemie en de eerste auteur van het onderzoek.

“De op DNA gebaseerde nanoantennes kunnen worden gesynthetiseerd met verschillende lengtes en flexibiliteiten om hun functie te optimaliseren”, zei hij. “Je kunt gemakkelijk een fluorescerend molecuul aan het DNA bevestigen en deze fluorescerende nano-antenne vervolgens aan een biologische nanomachine, zoals een enzym, bevestigen.

“Door het ontwerp van de nanoantenne zorgvuldig af te stemmen, hebben we een vijf nanometer lange antenne gecreëerd die een duidelijk signaal produceert wanneer het eiwit zijn biologische functie vervult.”

Fluorescerende nanoantennes openen veel spannende wegen in de biochemie en nanotechnologie, geloven de wetenschappers.

“We waren bijvoorbeeld in staat om in realtime en voor het eerst de functie van het enzym alkalische fosfatase te detecteren met een verscheidenheid aan biologische moleculen en medicijnen”, zei Harroun. “Dit enzym is betrokken bij veel ziekten, waaronder verschillende kankers en darmontstekingen.

“Deze nieuwe methode helpt ons niet alleen om te begrijpen hoe natuurlijke nanomachines functioneren of slecht functioneren, wat leidt tot ziekte, maar kan scheikundigen ook helpen bij het identificeren van veelbelovende nieuwe medicijnen en nano-ingenieurs begeleiden bij het ontwikkelen van verbeterde nanomachines”, voegde Dominic Lauzon, een co-auteur van de studie die zijn Ph.D. in de chemie bij UdeM.

Een belangrijk voordeel van deze nanoantennes is ook hun gebruiksgemak, aldus de wetenschappers.

“Waar we misschien het meest enthousiast over zijn, is het besef dat veel laboratoria over de hele wereld, uitgerust met een conventionele spectrofluorometer, deze nanoantennes gemakkelijk zouden kunnen gebruiken om hun favoriete eiwit te bestuderen, zoals om nieuwe medicijnen te identificeren of om nieuwe nanotechnologieën te ontwikkelen,” zei Vallée -Belisle.