Een miljoen keer sneller: DNA-nanotechnologie kan de farmaceutische ontwikkeling versnellen en tegelijkertijd de kosten minimaliseren

Een nieuwe tool versnelt de ontwikkeling van vaccins en andere farmaceutische producten met meer dan 1 miljoen keer terwijl de kosten worden geminimaliseerd.

Op zoek naar farmaceutische middelen zoals nieuwe vaccins, zal de industrie routinematig duizenden verwante kandidaat-moleculen scannen. Een nieuwe techniek maakt dit mogelijk op nanoschaal, waarbij materiaal- en energiegebruik wordt geminimaliseerd. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurchemie.

Binnen een gebied kleiner dan een speldenknop kunnen meer dan 40.000 moleculen worden gesynthetiseerd en geanalyseerd. De methode, ontwikkeld door een zeer interdisciplinaire onderzoeksinspanning in Denemarken, belooft de hoeveelheden materiaal, energie en economische kosten voor farmaceutische bedrijven drastisch te verminderen.

De methode werkt door zeepachtige bellen te gebruiken als nanocontainers. Met DNA-nanotechnologie kunnen meerdere ingrediënten in de containers worden gemengd.

“De volumes zijn zo klein dat het gebruik van materiaal kan worden vergeleken met het gebruik van één liter water en één kilogram materiaal in plaats van de volledige volumes water in alle oceanen om materiaal te testen dat overeenkomt met de volledige massa van de Mount Everest. Dit is een ongekende besparing in inspanning, materiaal, mankracht en energie”, zegt teamhoofd Nikos Hatzakis, universitair hoofddocent aan de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Kopenhagen.

“Oneindig sparen” [on] hoeveelheden tijd, energie en mankracht zouden van fundamenteel belang zijn voor elke syntheseontwikkeling en evaluatie van geneesmiddelen”, zegt doctoraatsstudent Mette G. Malle, hoofdauteur van het artikel, en momenteel postdoc-onderzoeker aan de Harvard University, VS.

Resultaten binnen slechts zeven minuten

Het werk is uitgevoerd in samenwerking tussen de Hatzakis Group, Universiteit van Kopenhagen, en universitair hoofddocent Stefan Vogel, Universiteit van Zuid-Denemarken. Het project is ondersteund door een Villum Foundation Centre of Excellence subsidie. De resulterende oplossing wordt “single-particle combinatorial lipidic nanocontainer fusion based on DNA-mediated fusion” genoemd, afgekort SPARCLD.

De doorbraak omvat de integratie van elementen uit normaal ver verwijderde disciplines: synthetische biochemie, nanotechnologie, DNA-synthese, combinatorische chemie en zelfs Machine Learning, een discipline van AI (kunstmatige intelligentie).

“Geen enkel element in onze oplossing is volledig nieuw, maar ze zijn nog nooit zo naadloos gecombineerd”, legt Nikos Hatzakis uit.

De methode geeft al binnen zeven minuten resultaat.

“Wat we hebben komt heel dicht in de buurt van een live-uitlezing. Dit betekent dat men de setup continu kan modereren op basis van de meetwaarden, wat een aanzienlijke toegevoegde waarde toevoegt. We verwachten dat dit een sleutelfactor zal zijn voor de industrie die de oplossing wil implementeren”, zegt Mette G. Malle.

‘Moest het stil houden’

De individuele onderzoekers in het project hebben verschillende industriële samenwerkingsverbanden, maar ze weten niet welke bedrijven de nieuwe high-throughput-methode willen implementeren.

“We moesten de zaken stil houden, omdat we niet het risico wilden nemen dat anderen iets soortgelijks voor ons zouden publiceren. We konden dus geen gesprekken aangaan met de industrie of met andere onderzoekers die de methode in verschillende toepassingen zouden kunnen gebruiken.” zegt Nikos Hatzakis.

Toch kan hij enkele mogelijke toepassingen noemen:

“Een veilige gok zou zijn dat zowel de industrie als de academische groepen die betrokken zijn bij de synthese van lange moleculen zoals polymeren, een van de eersten zouden kunnen zijn die de methode toepassen. Hetzelfde geldt voor liganden die relevant zijn voor de farmaceutische ontwikkeling. Een bijzondere schoonheid van de methode [is] dat het verder kan worden geïntegreerd, waardoor directe toevoeging van een relevante applicatie mogelijk is.”

Hier kunnen voorbeelden zijn RNA-strings voor de belangrijke biotech-tool CRISPR, of een alternatief voor het screenen en detecteren en synthetiseren van RNA voor toekomstige pandemische vaccins.

“Onze opstelling maakt het mogelijk om SPARCLD te integreren met post-combinatorische uitlezing voor combinaties van eiwit-ligandreacties zoals die relevant zijn voor gebruik in CRISPR. Alleen hebben we dit nog niet kunnen aanpakken, omdat we onze methodologie eerst wilden publiceren.”