Een ‘nano-robot’ volledig opgebouwd uit DNA om celprocessen te onderzoeken

Autonome DNA Nano-lier activering van integrine signalering. A Het transmembraanreceptor-integrine (blauw) bestaat als een compact αβ-heterodimeer. Integrines zenden toegepaste mechanische spanningen uit, tussen 1 en 15 pN, en rekruteren extra eiwitten om focale adhesies samen te stellen, waaronder Focal Adhesion Kinase (FAK), dat gefosforyleerd wordt op residu Y397 na mechanische stimulatie van integrine. Toevoeging van twee antilichamen met donor, D, en acceptor, A, labels maakt detectie van gefosforyleerd FAK in een LRET-assay mogelijk. Beide antilichamen binden aan gefosforyleerd FAK (Y397-P) en wekken een detecteerbaar hoog LRET-signaal op, terwijl slechts een enkel antilichaam bindt in afwezigheid van fosforylering, wat een laag LRET-signaal oplevert. B MCF-7-cellen in suspensie waren 1, onbehandelde controle, 2, geïncubeerd met RGD-geconjugeerd oligonucleotide, 3, geïncubeerd met cRGD-gefunctionaliseerde Piston-cilinder origami, 4, geïncubeerd met niet-gefunctionaliseerde Nano-lieren, 5, geïncubeerd met cRGD-gefunctionaliseerd Nano-lier. Cellen werden vervolgens gelyseerd en FAK-fosforylering. Het achtergrondsignaal, R₀van antilichamen alleen werd afgetrokken van het signaal van gelyseerde cellen in experimentele en controleomstandigheden berekend uit verhoudingen van acceptor- en donorfluorescentie-intensiteiten, R_ADVERTENTIE. De resultaten zijn het gemiddelde van ten minste drie onafhankelijke experimenten. Foutbalken vertegenwoordigen de standaarddeviatie, statistische significantie werd bepaald door eenrichtingsanalyse van variantie met vergelijking met de onbehandelde controle (*** P Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-30745-2, https:/ /www.nature.com/articles/s41467-022-30745-2

Een klein robotje bouwen van DNA en het gebruiken om celprocessen te bestuderen die onzichtbaar zijn voor het blote oog… Je zou denken dat het sciencefiction is, maar het is in feite het onderwerp van serieus onderzoek door wetenschappers van Inserm, CNRS en Université de Montpellier aan het Structural Biology Centre in Montpellier. Deze zeer innovatieve “nano-robot” moet een nader onderzoek mogelijk maken van de mechanische krachten die op microscopische niveaus worden uitgeoefend, die cruciaal zijn voor veel biologische en pathologische processen. Het wordt beschreven in een nieuwe studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Onze cellen zijn onderhevig aan mechanische krachten die op microscopische schaal worden uitgeoefend, waardoor biologische signalen worden geactiveerd die essentieel zijn voor veel celprocessen die betrokken zijn bij het normaal functioneren van ons lichaam of bij de ontwikkeling van ziekten.

Zo is het tastgevoel deels afhankelijk van de toepassing van mechanische krachten op specifieke celreceptoren (waarvan de ontdekking dit jaar werd beloond met de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde). Naast aanraking maken deze receptoren die gevoelig zijn voor mechanische krachten (bekend als mechanoreceptoren) de regulering van andere belangrijke biologische processen mogelijk, zoals bloedvatvernauwing, pijnperceptie, ademhaling of zelfs de detectie van geluidsgolven in het oor, enz.

De disfunctie van deze cellulaire mechanosensitiviteit is betrokken bij veel ziekten, bijvoorbeeld kanker: kankercellen migreren in het lichaam door te klinken en zich voortdurend aan te passen aan de mechanische eigenschappen van hun micro-omgeving. Een dergelijke aanpassing is alleen mogelijk omdat specifieke krachten worden gedetecteerd door mechanoreceptoren die de informatie doorgeven aan het celcytoskelet.

Op dit moment is onze kennis van deze moleculaire mechanismen die betrokken zijn bij mechanosensitiviteit van cellen nog zeer beperkt. Er zijn al verschillende technologieën beschikbaar om gecontroleerde krachten toe te passen en deze mechanismen te bestuderen, maar ze hebben een aantal beperkingen. Ze zijn met name erg kostbaar en laten ons niet toe om meerdere celreceptoren tegelijk te bestuderen, wat het gebruik ervan erg tijdrovend maakt als we veel gegevens willen verzamelen.

DNA-origami-structuren

Om een ​​alternatief voor te stellen, besloot het onderzoeksteam onder leiding van Inserm-onderzoeker Gaëtan Bellot van het Structural Biology Centre (Inserm/CNRS/Université de Montpellier) om de DNA-origami-methode te gebruiken. Dit maakt de zelfassemblage van 3D-nanostructuren in een vooraf gedefinieerde vorm mogelijk met behulp van het DNA-molecuul als constructiemateriaal. In de afgelopen tien jaar heeft de techniek grote vooruitgang mogelijk gemaakt op het gebied van nanotechnologie.

Dit stelde de onderzoekers in staat om een ​​”nano-robot” te ontwerpen die bestaat uit drie DNA-origamistructuren. Van nanometrisch formaat is het daarom compatibel met de grootte van een menselijke cel. Het maakt het voor het eerst mogelijk om een ​​kracht uit te oefenen en te beheersen met een resolutie van 1 piconewton, namelijk een biljoenste van een Newton – waarbij 1 Newton overeenkomt met de kracht van een vinger die op een pen klikt. Dit is de eerste keer dat een door de mens gemaakt, zelf-geassembleerd DNA-gebaseerd object met deze nauwkeurigheid kracht kan uitoefenen.

Het team begon door de robot te koppelen aan een molecuul dat een mechanoreceptor herkent. Dit maakte het mogelijk om de robot naar enkele van onze cellen te sturen en specifiek krachten uit te oefenen op gerichte mechanoreceptoren op het oppervlak van de cellen om ze te activeren.

Zo’n hulpmiddel is zeer waardevol voor fundamenteel onderzoek, omdat het kan worden gebruikt om de moleculaire mechanismen die betrokken zijn bij de mechanosensitiviteit van cellen beter te begrijpen en om nieuwe celreceptoren te ontdekken die gevoelig zijn voor mechanische krachten. Dankzij de robot kunnen de wetenschappers ook nauwkeuriger bestuderen op welk moment, wanneer kracht wordt uitgeoefend, belangrijke signaalroutes voor veel biologische en pathologische processen op celniveau worden geactiveerd.

“Het ontwerp van een robot die de in vitro en in vivo toepassing van piconewtonkrachten mogelijk maakt, komt tegemoet aan een groeiende vraag in de wetenschappelijke gemeenschap en vertegenwoordigt een belangrijke technologische vooruitgang. De biocompatibiliteit van de robot kan echter zowel als een voordeel worden beschouwd voor in vivo toepassingen, maar kan ook een zwakte zijn met gevoeligheid voor enzymen die DNA kunnen afbreken.Dus onze volgende stap zal zijn om te onderzoeken hoe we het oppervlak van de robot kunnen aanpassen zodat het minder gevoelig is voor de werking van enzymen.We zullen ook proberen andere activeringsmodi van onze robot met behulp van bijvoorbeeld een magnetisch veld”, zegt Bellot.