Hoe DNA-robots te programmeren om celmembranen te prikken en te doorprikken?

Wetenschappers hebben uitgezocht hoe we DNA het beste kunnen laten communiceren met membranen in ons lichaam, wat de weg vrijmaakte voor de creatie van ‘mini-biologische computers’ in druppeltjes die potentieel kunnen worden gebruikt in biosensing en mRNA-vaccins.

UNSW’s Dr. Matthew Baker en de Universiteit van Sydney’s Dr. Shelley Wickham leidden samen de studie, die onlangs werd gepubliceerd in Onderzoek naar nucleïnezuren.

Het ontdekte de beste manier om DNA-“nanostructuren” te ontwerpen en te bouwen om synthetische liposomen effectief te manipuleren – kleine belletjes die traditioneel werden gebruikt om medicijnen te leveren voor kanker en andere ziekten.

Maar door de vorm, porositeit en reactiviteit van liposomen te wijzigen, zijn er veel grotere toepassingen, zoals het bouwen van kleine moleculaire systemen die hun omgeving detecteren en reageren op een signaal om een ​​lading vrij te geven, zoals een medicijnmolecuul wanneer het zijn doel nadert.

Hoofdauteur Dr. Matt Baker van de UNSW’s School of Biotechnology and Biomolecular Sciences zegt dat de studie heeft ontdekt hoe ‘kleine blokjes’ uit DNA kunnen worden gemaakt en heeft hij uitgewerkt hoe deze blokken het beste kunnen worden gelabeld met cholesterol om ze vast te houden aan lipiden, de belangrijkste bestanddelen van plantaardige en dierlijke cellen.

“Een belangrijke toepassing van ons onderzoek is biosensing: je zou wat druppeltjes in een persoon of patiënt kunnen steken, terwijl het door het lichaam beweegt, registreert het de lokale omgeving, verwerkt dit en levert een resultaat op zodat je de lokale omgeving kunt ‘uitlezen’, ‘ zegt dokter Baker.

Liposoom-nanotechnologie heeft bekendheid gekregen met het gebruik van liposomen naast RNA-vaccins zoals de Pfizer- en Moderna COVID-19-vaccins.

“Dit werk laat nieuwe manieren zien om liposomen op hun plaats te houden en ze vervolgens op het juiste moment open te klappen”, zegt Dr. Baker.

“Wat beter is, is dat omdat ze van onderaf zijn opgebouwd uit individuele onderdelen die we ontwerpen, we gemakkelijk verschillende componenten kunnen in- en uitschroeven om de manier waarop ze werken te veranderen.

Voorheen hadden wetenschappers moeite om de juiste buffercondities voor lipiden en liposomen te vinden om ervoor te zorgen dat hun DNA-‘computers’ daadwerkelijk aan liposomen bleven kleven.

Ze worstelden ook met de beste manier om het DNA te versieren met cholesterol, zodat het niet alleen naar het membraan zou gaan, maar daar zou blijven zolang als nodig was.

‘Is het beter aan de rand? In het midden? Heel veel? Weinig? Zo dicht mogelijk bij de structuur, of zo ver mogelijk?’ Dr. Baker zegt.

“We hebben naar al deze dingen gekeken en aangetoond dat we goede voorwaarden konden scheppen voor DNA-structuren om op betrouwbare wijze aan liposomen te binden en ‘iets te doen’.”

Dr. Baker zegt dat membranen cruciaal zijn in het leven, omdat ze de vorming van compartimenten mogelijk maken en daardoor verschillende soorten weefsel en cellen kunnen scheiden.

“Dit hangt allemaal af van het feit dat membranen over het algemeen vrij ondoordringbaar zijn”, zegt hij.

“Hier hebben we totaal nieuwe DNA-nanotechnologie gebouwd waarmee we op verzoek gaten in membranen kunnen slaan om belangrijke signalen door een membraan te kunnen sturen.

“Dit is uiteindelijk de basis in het leven van hoe cellen met elkaar communiceren, en hoe iets nuttigs in één cel kan worden gemaakt en vervolgens kan worden geëxporteerd om elders te worden gebruikt.”

Als alternatief kunnen bij pathogenen membranen worden verstoord om cellen te vernietigen, of virussen kunnen cellen binnensluipen om zichzelf te repliceren.

De wetenschappers zullen vervolgens werken aan het beheersen van op DNA gebaseerde poriën die kunnen worden geactiveerd met licht om synthetische netvliezen te ontwikkelen uit geheel nieuwe delen.