DNA-nanorobots die kunstmatige cellen kunnen veranderen, bieden een nieuw hulpmiddel voor synthetische biologie

De vorm en morfologie van een cel spelen een sleutelrol in de biologische functie. Dit komt overeen met het principe ‘vorm volgt functie’, dat gebruikelijk is in de moderne design- en architectuursector. De overdracht van dit principe naar kunstmatige cellen is een uitdaging in de synthetische biologie. Vooruitgang in DNA-nanotechnologie biedt nu veelbelovende oplossingen. Ze maken het mogelijk nieuwe transportkanalen te creëren die groot genoeg zijn om de doorgang van therapeutische eiwitten door celmembranen te vergemakkelijken.

Op dit opkomende terrein heeft prof. Laura Na Liu, directeur van het 2e Natuurkundig Instituut aan de Universiteit van Stuttgart en Fellow aan het Max Planck Instituut voor Solid State Research (MPI-FKF), een innovatief hulpmiddel ontwikkeld voor het controleren van de vorm en doorlaatbaarheid van lipidemembranen in synthetische cellen. Deze membranen bestaan ​​uit lipidedubbellagen die een waterig compartiment omsluiten en dienen als vereenvoudigde modellen van biologische membranen. Ze zijn nuttig voor het bestuderen van membraandynamica, eiwitinteracties en lipidengedrag.

Het werk is gepubliceerd in Natuur materialen.

Een mijlpaal in de toepassing van DNA-nanotechnologie

Dit nieuwe hulpmiddel kan de weg vrijmaken voor het creëren van functionele synthetische cellen. Het werk van Laura Na Liu heeft tot doel het onderzoek en de ontwikkeling van nieuwe therapieën aanzienlijk te beïnvloeden. Liu en haar team zijn erin geslaagd signaalafhankelijke DNA-nanorobots te gebruiken om programmeerbare interacties met synthetische cellen mogelijk te maken.

“Dit werk is een mijlpaal in de toepassing van DNA-nanotechnologie om celgedrag te reguleren”, zegt Liu.

Het team werkt met gigantische unilamellaire blaasjes (GUV’s), dit zijn eenvoudige celgrote structuren die levende cellen nabootsen. Met behulp van DNA-nanorobots konden de onderzoekers de vorm en functionaliteit van deze synthetische cellen beïnvloeden.

Nieuwe transportkanalen voor eiwitten en enzymen

DNA-nanotechnologie is een van de belangrijkste onderzoeksgebieden van Laura Na Liu. Ze is expert op het gebied van DNA-origamistructuren: DNA-strengen die worden gevouwen door middel van speciaal ontworpen kortere DNA-sequenties, zogenaamde nietjes. Het team van Liu gebruikte DNA-origamistructuren als herconfigureerbare nanorobots die hun vorm omkeerbaar kunnen veranderen en daardoor hun directe omgeving tot op micrometers kunnen beïnvloeden.

De onderzoekers ontdekten dat de transformatie van deze DNA-nanorobots kan worden gekoppeld aan de vervorming van de GUV’s en de vorming van synthetische kanalen in de model-GUV-membranen. Deze kanalen lieten grote moleculen door het membraan gaan en kunnen indien nodig opnieuw worden afgesloten.

Volledig kunstmatige DNA-structuren voor biologische omgevingen

“Dit betekent dat we DNA-nanorobots kunnen gebruiken om de vorm en configuratie van GUV’s te ontwerpen om de vorming van transportkanalen in het membraan mogelijk te maken”, zegt prof. Stephan Nussberger, co-auteur van dit werk.

“Het is buitengewoon opwindend dat het functionele mechanisme van de DNA-nanorobots op GUV’s geen direct biologisch equivalent heeft in levende cellen.”

Het nieuwe werk roept nieuwe vragen op: kunnen synthetische platforms – zoals DNA-nanorobots – ontworpen worden met minder complexiteit dan hun biologische tegenhangers, die toch zouden functioneren in een biologische omgeving?

Ziektemechanismen begrijpen en therapieën verbeteren

Het nieuwe onderzoek is een belangrijke stap in deze richting. Het systeem van cross-membraankanalen, gecreëerd door DNA-nanorobots, maakt een efficiënte doorgang van bepaalde moleculen en stoffen naar de cellen mogelijk. Het belangrijkste is dat deze kanalen groot zijn en kunnen worden geprogrammeerd om te sluiten wanneer dat nodig is.

Wanneer dit systeem wordt toegepast op levende cellen, kan het het transport van therapeutische eiwitten of enzymen naar hun doelwitten in de cel vergemakkelijken. Het biedt dus nieuwe mogelijkheden voor de toediening van medicijnen en andere therapeutische interventies.

“Onze aanpak opent nieuwe mogelijkheden om het gedrag van levende cellen na te bootsen. Deze vooruitgang zou cruciaal kunnen zijn voor toekomstige therapeutische strategieën”, zegt prof. Hao Yan, een van de co-auteurs van dit werk.