Het kleinste sanitair ter wereld kan op een dag medicijnen naar individuele menselijke cellen leiden

Door te werken aan microscopisch kleine pijpen die slechts een miljoenste zo breed zijn als een enkele streng mensenhaar, hebben onderzoekers van de Johns Hopkins University een manier ontwikkeld om ervoor te zorgen dat deze kleinste pijpen veilig zijn voor de kleinste lekken.

Lekvrije leidingen, gemaakt met nanobuisjes die zichzelf assembleren, zichzelf repareren en zichzelf kunnen verbinden met verschillende biostructuren, is een belangrijke stap in de richting van het creëren van een nanobuisjesnetwerk dat op een dag gespecialiseerde medicijnen, eiwitten en moleculen zou kunnen leveren aan gerichte cellen in het menselijk lichaam. De zeer nauwkeurige metingen worden vandaag beschreven in Wetenschappelijke vooruitgang.

“Deze studie suggereert zeer sterk dat het haalbaar is om nanobuisjes te bouwen die niet lekken met behulp van deze eenvoudige technieken voor zelfassemblage, waarbij we moleculen in een oplossing mengen en ze gewoon de structuur laten vormen die we willen,” zei Rebecca Schulman, een medewerker hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering die het onderzoek leidde. “In ons geval kunnen we deze buizen ook aan verschillende eindpunten bevestigen om zoiets als sanitair te vormen.”

Het team werkte met buizen met een diameter van ongeveer zeven nanometer – ongeveer twee miljoen keer kleiner dan een mier – en enkele micrometers lang, of ongeveer de lengte van een stofdeeltje.

De methode bouwt voort op een gevestigde techniek die stukjes DNA hergebruikt als bouwstenen om de buizen te laten groeien en repareren, terwijl ze specifieke structuren kunnen opzoeken en verbinden.

Eerdere studies hebben vergelijkbare structuren ontworpen om kortere structuren te maken die nanoporiën worden genoemd. Die ontwerpen richten zich op het vermogen van DNA-nanoporiën om het transport van moleculen door in het laboratorium gekweekte lipidemembranen te regelen die het membraan van een cel nabootsen.

Maar als nanobuisjes als buizen zijn, zijn nanoporiën als korte buisfittingen die op zichzelf geen andere buizen, tanks of apparatuur kunnen bereiken. Het team van Schulman is gespecialiseerd in bio-geïnspireerde nanotechnologie om dit soort problemen aan te pakken.

“Door een lange buis uit een porie te bouwen, kunnen moleculen niet alleen de porie van een membraan passeren dat de moleculen in een kamer of cel vasthoudt, maar ook om te bepalen waar die moleculen naartoe gaan nadat ze de cel hebben verlaten,” zei Schulman. “We waren in staat om buizen te bouwen die zich uitstrekken van poriën die veel langer waren dan die die eerder waren gebouwd, waardoor het transport van moleculen langs ‘snelwegen’ van nanobuisjes dicht bij de realiteit kon komen.”

De nanobuisjes vormen met behulp van DNA-strengen die zijn geweven tussen verschillende dubbele helices. Hun structuren hebben kleine openingen zoals Chinese vingervallen. Vanwege de extreem kleine afmetingen hadden wetenschappers niet kunnen testen of de buizen moleculen over langere afstanden konden transporteren zonder te lekken of dat moleculen door hun wandopeningen konden glippen.

Yi Li, een doctoraal afgestudeerde van de chemische en biomoleculaire engineeringafdeling van Johns Hopkins die mede leiding gaf aan het onderzoek, voerde het nano-equivalent uit door het uiteinde van een pijp af te dekken en een kraan open te draaien om ervoor te zorgen dat er geen water lekt. Yi sloot de uiteinden van de buizen af ​​met speciale DNA-‘kurken’ en liet er een oplossing van fluorescerende moleculen doorheen lopen om lekken en instroomsnelheden te volgen.

Door nauwkeurig de vorm van de buizen te meten, hoe hun biomoleculen verbonden waren met specifieke nanoporiën en hoe snel de fluorescerende oplossing stroomde, toonde het team aan hoe de buizen moleculen verplaatsten in kleine, in het laboratorium gekweekte zakken die op een celmembraan leken. De gloeiende moleculen gleden erdoorheen als water door een trechter.

“Nu kunnen we dit meer een sanitairsysteem noemen, omdat we de stroom van bepaalde materialen of moleculen over veel langere afstanden sturen met behulp van deze kanalen,” zei Li. “We kunnen bepalen wanneer we deze stroom moeten stoppen met behulp van een andere DNA-structuur die heel specifiek aan die kanalen bindt om dit transport te stoppen, werkend als een klep of een plug.”

DNA-nanobuisjes kunnen wetenschappers helpen beter te begrijpen hoe neuronen met elkaar omgaan. Onderzoekers zouden ze ook kunnen gebruiken om ziekten zoals kanker en de functies van de meer dan 200 soorten cellen van het lichaam te bestuderen.

Vervolgens zal het team aanvullend onderzoek doen met synthetische en echte cellen, maar ook met verschillende soorten moleculen.

Auteurs waren onder meer Johns Hopkins hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde Brice Ménard, en Himanshu Joshi en Aleksei Aksimentiev van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign.