De vorm van toekomstige moleculen: een vraag-en-antwoordsessie over het ontwerpen van DNA-nanostructuren voor biomedische toepassingen

Door nieuwe manieren te ontdekken om materie op atomair en moleculair niveau te manipuleren, maken ontwikkelingen in de nanotechnologie de weg vrij voor innovaties in onder andere de geneeskunde, elektronica, materiaalkunde en milieusanering.

Een belangrijk specialisme op dit gebied, en een kenmerkend studiegebied aan het RNA Institute van de Universiteit van Albany, is DNA-nanotechnologie. Hierbij worden de basenparen waaruit DNA-moleculen bestaan, gemanipuleerd om minuscule structuren in verschillende vormen te bouwen die kunnen worden gebruikt voor toepassingen zoals medicijnafgifte, medische diagnostiek en zelfs gegevensopslag.

Onderzoekers van het RNA Institute, waaronder postdoctoraal onderzoeker Bharath Raj Madhanagopal en senior onderzoeker Arun Richard Chandrasekaran, hebben samen met een team van medewerkers van UAlbany een nieuwe studie geschreven waarin de unieke eigenschappen van een bepaald soort DNA-nanostructuur, genaamd “terugdraaiend DNA” die van invloed kunnen zijn op de DNA-vouwing in de natuur en nuttig kunnen zijn bij het ontwerpen van nieuwe soorten nanostructuren met biomedische toepassingen.

Hun bevindingen waren gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Madhanagopal en Chandrasekaran delen hier hun inzichten over de basisprincipes van hun vakgebied en de ontwikkelingen die ons te wachten staan ​​met nieuwe ontdekkingen in de DNA-nanotechnologie.

Wat zijn DNA-nanostructuren en waarom zijn ze belangrijk?

Velen kennen DNA als het molecuul dat de genetische informatie opslaat die van generatie op generatie wordt doorgegeven. De chemische eigenschappen van DNA maken het een uitstekend molecuul voor het opslaan van genetische informatie en maken het ook een bruikbaar bouwmateriaal, vooral als het gaat om het maken van kleine objecten, zo klein als een paar nanometer.

De sequenties van de vier nucleobasen in DNA – adenine, guanine, thymine en cytosine – zijn inherent programmeerbaar. Dit komt doordat adenine altijd paart met thymine en guanine met cytosine. Deze betrouwbare patronen in base pairing stellen ons in staat om specifieke strengen DNA te ontwerpen die als Lego-blokjes aan elkaar binden om nanostructuren te vormen.

Door DNA te gebruiken om nanostructuren te bouwen, kunnen we een uitstekende precisie bereiken in de grootte van de structuren. We kunnen ook objecten maken met verschillende vormen en architecturale complexiteiten, mogelijkheden die niet gemakkelijk te bereiken zijn met andere technologieën. DNA-nanostructuren worden nu ontwikkeld voor gebruik in medicijnafgifte, diagnostiek en gegevensopslag, om een ​​paar toepassingen te noemen.

Wat is ‘switchback DNA’?

Net zoals we stenen gebruiken om gebouwen te bouwen, gebruiken we bouwstenen van nanometerformaat, ook wel “motieven” En “tegels” gemaakt van DNA om ingewikkelde structuren te creëren in DNA-nanotechnologie. Net zoals stenen in verschillende vormen en maten kunnen voorkomen, kunnen motieven en tegels dat ook. Het creëren van deze structurele motieven en het begrijpen van hun eigenschappen is de basis van DNA-nanotechnologieonderzoek.

“Terugschakelen van DNA” is een van de vroegste DNA-motieven ontworpen door Nadrian Seeman, de grondlegger van het vakgebied DNA-nanotechnologie. We wilden onderzoeken hoe de merkwaardige structurele kenmerken zich zouden manifesteren in nanostructuren. Door de eigenschappen van switchback-DNA te bestuderen, geloven we dat we nog meer diverse DNA-gebaseerde nano-objecten met exotische eigenschappen kunnen creëren.

Wat maakt Switchback DNA uniek?

Switchback DNA heeft slechts twee strengen, dus het kan direct worden vergeleken met de dubbele helixstructuur van DNA die iedereen kent. In switchback DNA hebben de twee strengen secties, halve windingen genaamd, die lijken op normaal DNA, maar de manier waarop ze zijn gerangschikt maakt switchback DNA uniek.

Normaal gesproken is DNA een dubbele helix met rechtshandige helixrichting door het hele molecuul. In switchback DNA zijn rechtshandige halve windingen zo gerangschikt dat het molecuul als geheel een linkshandige dubbele helix is. Dit komt omdat als je de ruggengraat van DNA langs de helix volgt, je zult zien dat na elke halve winding de strengen terugvouwen. Deze verschillen worden geïllustreerd in het onderstaande diagram.

We hebben ontdekt dat de unieke structuur van switchback DNA van invloed kan zijn op eigenschappen die belangrijk zijn voor de potentiële rol ervan in biomedische toepassingen, zoals structurele stabiliteit, kwetsbaarheid voor enzymen en immunogene eigenschappen, die bijvoorbeeld van invloed kunnen zijn op het vermogen van een nanostructuur om een ​​medicijn effectief af te leveren aan een bepaald weefsel. Het begrijpen van deze eigenschappen en het uitzoeken welke gecontroleerd kunnen worden en hoe ze gecontroleerd kunnen worden, is cruciaal.

Wat heeft het vakgebied te winnen bij een beter begrip van switchback-DNA?

De resultaten van dit onderzoek helpen onderzoekers die DNA-nanostructuren maken, hun ontwerpen te verbeteren met behulp van switchback DNA-bouwstenen.

We weten nu bijvoorbeeld dat een veelvoorkomend enzym, genaamd “DNase I” breekt switchback-DNA niet zo snel af als conventioneel B-DNA (het DNA dat over het algemeen in levende organismen wordt aangetroffen). Als we DNA-nanostructuren willen gebruiken om medicijnen naar weefsels in het lichaam te brengen, willen we niet dat een enzym de nanostructuur afbreekt voordat het het doelweefsel kan bereiken.

Als dit zou gebeuren, zou het medicijn niet effectief zijn. We kunnen nu overwegen om switchback-DNA te gebruiken om deze uitdaging, die een veelvoorkomend obstakel is in het veld, te verminderen.

We ontdekten ook dat er genetische sequenties in het menselijk genoom zijn die potentieel kunnen vouwen tot switchback-DNA. Onze resultaten suggereren dat DNA met specifieke herhalende patronen onder bepaalde omstandigheden switchback-DNA kan vormen. Deze sequenties komen veel voor in de chromosomen van dieren en planten en kunnen structurele vormen aannemen waar we heel weinig over weten.

Het is spannend om te weten dat deze sequenties zich in een reageerbuis onder bepaalde omstandigheden kunnen vouwen tot switchback-DNA. Of dit in een levende cel kan gebeuren, moet nog blijken.

Omdat deze repetitieve sequenties een rol spelen bij ziekten zoals myotone dystrofie en de ziekte van Huntington, kan deze onderzoeksmethode ons helpen deze klasse van ziekten beter te begrijpen. Ook kunnen we hiermee in de toekomst nieuwe doelwitten voor medicijnen voor deze ziekten ontdekken.

Wat zijn de belangrijkste lessen die je uit dit werk hebt geleerd?

Ons werk met switchback-DNA laat zien dat we “afstemmen” de eigenschappen van DNA door het in verschillende patronen te vouwen zonder chemische modificaties. Het begrijpen van de eigenschappen van switchback DNA zal nuttig zijn bij het creëren van DNA-apparaten voor biosensing, medicijnafgifte, DNA-berekening en andere toepassingen.

Onze bevindingen tonen ook aan dat de regels van complementariteit die Watson en Crick definieerden in hun iconische dubbel-helicale model van DNA-structuur, uitgebreid moeten worden. In het model voorgesteld door Watson en Crick zijn de richtingen van de twee strengen tegengesteld. Dat betekent dat het ene uiteinde van de eerste streng interageert met het tegenovergestelde uiteinde van de tweede streng.

In switchback DNA is het base pairing patroon anders. Hoewel de meeste regels van complementariteit die Watson en Crick hebben gedefinieerd, van toepassing zijn op switchback DNA, verschilt de positie van de base pairs.

Ten slotte opent onze hypothese dat herhaalde sequenties switchback-DNA-structuren kunnen vormen interessante discussies – en toekomstige studies – over het biologische voorkomen van dergelijke niet-traditionele DNA-structuren.