Nieuwe DNA-nanoporiën kunnen op verzoek worden geopend en gesloten voor gecontroleerde medicijnafgifte

Wetenschappers van de TU Delft en het Max Planck Instituut hebben een nieuwe klasse structureel aanpasbare ‘mechanische’ poriën gemaakt van DNA die moleculen door celmembranen kunnen transporteren. Deze innovatieve nanoporiën kunnen op verzoek openen en sluiten en, voor het eerst, hun diameter aanpassen.

Dit biedt nieuwe mogelijkheden voor biomedische toepassingen, waaronder gecontroleerde en op grootte selectieve afgifte van macromoleculen. De resultaten zijn geweest gepubliceerd in Geavanceerde materialen.

Ze Yu, postdoc in de groep van Sabina Caneva en co-eerste auteur van de publicatie, legt uit dat DNA-origami-nanoporiën op grote schaal worden gebruikt in de biofysica en biotechnologie om de vormen en samenstellingen van eiwitten te analyseren. Traditionele poriën zijn echter te smal voor macromoleculen zoals therapeutische middelen, en de poriën zijn voortdurend open, wat niet ideaal is voor gerichte medicijnafgifte.

Structureel aanpasbare poriën

Caneva en haar team hebben, in samenwerking met het Heuer-Jungmann-lab van het Max Plack Institute of Biochemistry, nanoporiën ontworpen en ontwikkeld met een bredere opening van 30 nanometer (MechanoPores), in plaats van de gebruikelijke 4-5 nanometer.

‘DNA is een ideaal materiaal om op kleine schaal mee te bouwen’, zegt Yu. “We gebruiken de waterstofbruggen tussen complementaire basenparen om met DNA-strengen de gewenste structuur te creëren.” Met deze aanpak kan DNA-origami-nanotechnologie worden gebruikt om nauwkeurige, voorgeprogrammeerde 2D- en 3D-vormen te bouwen.

De grootste uitdaging was om de poriën on-demand open en dicht te maken. Het team van Caneva gebruikte hiervoor de flexibele eigenschappen van enkelstrengs DNA, dat in wezen leek op een flexibel mechanisme. In de porie bevindt zich aan twee zijden een flexibel enkelstrengs DNA-molecuul.

Wanneer een complementaire DNA-streng wordt toegevoegd, vormt zich een stijver dubbelstrengig DNA-molecuul, dat de porie open duwt en grotere biomoleculen doorlaat. Om de porie te sluiten worden enkelstrengige DNA-moleculen toegevoegd die complementair zijn aan de DNA-moleculen aan de buitenkant van de porie, waardoor de porie gedwongen wordt te sluiten.

Afstembaarheid van de maat

Volgens Yu is dit de eerste nanoporie die reversibel drie verschillende diameters kan aannemen en daardoor moleculen kan selecteren op basis van grootte.

Uit het onderzoek blijkt dat de porie ook in een membraan efficiënt kan worden aangestuurd, iets wat wetenschappers nog niet eerder hebben bereikt. Dit vereist een biochemische truc om de MechanoPore over het biomembraan te laten zitten, en werd bevestigd via fluorescentiebeeldvorming van de moleculaire stroom door de porie.

Sabina Caneva, assistent-professor aan de faculteit Werktuigbouwkunde, zei: “Ons werk is een belangrijke stap in de richting van meer geavanceerde dynamische nanodevices met potentiële toepassingen op het gebied van gecontroleerde medicijnafgifte en moleculaire diagnostiek, waarbij gecontroleerd transport van biologische macromoleculen door grote, stabiele kanalen zijn cruciaal.”

De volgende stap is het selecteren van moleculen, niet alleen op grootte, maar ook op moleculaire samenstelling. “Er zijn verschillende eiwitten van ongeveer dezelfde grootte. Ons doel is om onderscheid te maken tussen deze eiwitten op basis van moleculaire samenstelling, voor een nog selectiever transport door de nanoporie”, zegt Yu.