Autonome nanomachines geïnspireerd door de natuur

Geïnspireerd door de manier waarop moleculen in de natuur op elkaar inwerken, ontwikkelen medische onderzoekers van UNSW veelzijdige nanoschaalmachines om een ​​groter functioneel bereik mogelijk te maken.

Om de uitdagende omstandigheden in levende organismen te weerstaan, moeten moleculaire machines duurzaam worden geconstrueerd voor continu gebruik gedurende lange perioden. Tegelijkertijd moeten ze zich aanpassen aan verschillende behoeften en aan hun veranderende omgeving door snel moleculaire componenten uit te wisselen om de machines opnieuw te configureren.

Een team, onder leiding van A/Prof. Lawrence Lee van UNSW Medicine & Health’s EMBL Australia Node in Single Molecule Science, meldt in het tijdschrift hoe ze moleculaire machines voor snelle uitwisseling met stabiliteit hebben ontworpen en gebouwd ACS Nano.

“We hebben een synthetisch-biologische benadering van dit probleem gekozen door een kunstmatige nanoscopische machine te bouwen met behulp van DNA- en eiwitcomponenten. Het kunnen uitwisselen van subeenheden verhoogt de functionaliteit, net zoals we in de biologie zien”, zei A/Prof. Lee, een UNSW School of Medical Sciences, en ARC Center of Excellence in Synthetic Biology-onderzoeker.

Hij en zijn team ontwierpen moleculaire machines door DNA-strengen in driedimensionale vormen te vouwen, een techniek die DNA-origami wordt genoemd. Ze toonden aan dat hun DNA-nanomachines zowel DNA- als eiwitlading konden vervoeren en over het algemeen compatibel zouden zijn met andere biomoleculen en nanodeeltjes. De lading bindt zich op meerdere plaatsen aan de DNA-receptor en kan worden verdrongen door nieuwe lading via een competitief bindend proces, wanneer andere lading in oplossing aanwezig is.

Een voorbeeld van een van de machines van de natuur die de paradox van stabiliteit en snelle uitwisseling belichaamt, is een cellulaire machine die kopieën maakt van DNA – het DNA-replisome. Het competitieve uitwisselingsmechanisme dat door het replisome wordt gebruikt om tegelijkertijd deze tegengestelde eigenschappen te bereiken, werd voorgesteld in een eerdere publicatie in Onderzoek naar nucleïnezuur van het team van prof. Antoine van Oijen van de University of Woollongong, die ook co-auteur is van de huidige studie.

A/Prof. Lee en zijn team hebben deze theorie nu tot leven gebracht met behulp van DNA-nanotechnologie en eiwittechnologie. “Het is het eerste synthetische systeem dat dit zogenaamde ‘multi-site competitieve uitwisseling’-principe heeft gebruikt,” zei hij.

Er zijn andere mechanismen gemeld die de dubbele eigenschappen van robuustheid en snelle uitwisseling verlenen, maar tot nu toe was deze tweedeling niet mogelijk met andere biomoleculen.

“Tot nu toe worden alle moleculaire machines die zijn gesynthetiseerd met behulp van DNA-nanotechnologie geactiveerd door de uitwisseling van een DNA-streng, maar het uitwisselen van alleen DNA is een beetje beperkend. Onze bevindingen vergroten de functionele complexiteit die beschikbaar is voor DNA-nanotechnologie,” zei A/Prof. Lee.

Hij gelooft dat er een schat aan kennis in de natuur is waar nanotechnologieonderzoekers gebruik van kunnen maken. “Snelle uitwisseling en het handhaven van een hoge stabiliteit lijken twee onverenigbare toestanden te zijn, maar er zijn zoveel van de nanoschaalmachines van de natuur die zich op deze manier gedragen.”

Het gebied van DNA-nanotechnologie staat nog in de kinderschoenen. Hoewel er voor onderzoekers nog veel meer ontwerpuitdagingen te overwinnen zijn om het volledige potentieel van moleculaire machines te kunnen realiseren, het vermogen om machines te creëren die autonoom kunnen handelen en zich kunnen aanpassen aan veranderingen in de omgeving door verschillende biomoleculen te vervangen, is dit een grote stap in de richting van een scala aan toepassingen, van het bouwen van responsieve slimme materialen tot het richten van therapeutische medicijnen in zieke cellen, en nog veel meer.