Nanorobot, met de hand gemaakt van DNA, grijpt virussen voor diagnostiek en blokkeert de toegang tot cellen

Een kleine ‘hand’ met vier vingers, gevouwen uit een enkel stukje DNA, kan het virus dat COVID-19 veroorzaakt oppikken voor zeer gevoelige snelle detectie en kan zelfs voorkomen dat virale deeltjes cellen binnendringen om ze te infecteren, Universiteit van Illinois Urbana-Champaign onderzoekers rapporteren. De nanorobothand, ook wel de NanoGripper genoemd, zou ook kunnen worden geprogrammeerd om te interageren met andere virussen of om markers op het celoppervlak te herkennen voor gerichte medicijnafgifte, zoals voor de behandeling van kanker.

Onder leiding van Xing Wang, hoogleraar bio-engineering en scheikunde aan de U. of I., de onderzoekers beschrijven hun vooruitgang in het journaal Wetenschap Robotica.

Geïnspireerd door de grijpkracht van de menselijke hand en de klauwen van vogels, ontwierpen de onderzoekers de NanoGripper met vier buigbare vingers en een handpalm, alles in één nanostructuur gevouwen uit één stuk DNA. Elke vinger heeft drie gewrichten, net als een menselijke vinger, en de hoek en mate van buiging worden bepaald door het ontwerp op het DNA-scaffold.

“We wilden een robot op nanoschaal van zacht materiaal maken met grijpfuncties die nog nooit eerder zijn gezien, om te interageren met cellen, virussen en andere moleculen voor biomedische toepassingen”, zei Wang.

“We gebruiken DNA vanwege zijn structurele eigenschappen. Het is sterk, flexibel en programmeerbaar. Maar zelfs op het gebied van DNA-origami is dit nieuw in termen van het ontwerpprincipe. We vouwen één lange DNA-streng heen en weer om alles te maken de elementen, zowel de statische als de bewegende stukken, in één stap.”

De vingers bevatten gebieden die DNA-aptameren worden genoemd en die speciaal zijn geprogrammeerd om zich te binden aan moleculaire doelwitten – het piekeiwit van het virus dat COVID-19 veroorzaakt, voor deze eerste toepassing – en ervoor zorgen dat de vingers buigen om zich rond het doelwit te wikkelen. Aan de andere kant, waar de pols zich zou bevinden, kan de NanoGripper zich hechten aan een oppervlak of een ander groter complex voor biomedische toepassingen zoals detectie of medicijntoediening.

Om een ​​sensor te maken om het COVID-19-virus te detecteren, werkte Wangs team samen met een groep onder leiding van professor Brian Cunningham, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek uit Illinois, die gespecialiseerd is in biosensoren. Ze koppelden de NanoGripper aan een fotonisch kristalsensorplatform om een ​​snelle, 30 minuten durende COVID-19-test te creëren die overeenkomt met de gevoeligheid van de gouden standaard qPCR-moleculaire tests die door ziekenhuizen worden gebruikt, die nauwkeuriger zijn dan tests thuis, maar veel langer duren .

“Onze test is erg snel en eenvoudig omdat we het intacte virus direct detecteren”, aldus Cunningham. “Wanneer het virus in de hand van de NanoGripper wordt gehouden, wordt een fluorescerend molecuul geactiveerd om licht vrij te geven wanneer het wordt belicht door een LED of laser. Wanneer een groot aantal fluorescerende moleculen op één enkel virus wordt geconcentreerd, wordt het in ons detectiesysteem helder genoeg om tel elk virus afzonderlijk.”

Naast diagnostiek zou de NanoGripper toepassingen kunnen hebben in de preventieve geneeskunde door te voorkomen dat virussen cellen binnendringen en infecteren, zei Wang. De onderzoekers ontdekten dat wanneer NanoGrippers werden toegevoegd aan celculturen die vervolgens werden blootgesteld aan COVID-19, er meerdere grijpers zich rond de buitenkant van de virussen zouden wikkelen. Dit blokkeerde de interactie van de virale piekeiwitten met receptoren op de celoppervlakken, waardoor infectie werd voorkomen.

“Het zou heel moeilijk zijn om het toe te passen nadat iemand besmet is, maar er is een manier waarop we het als een preventief therapeutisch middel kunnen gebruiken,” zei Wang. “We zouden een antivirale neusspray kunnen maken. De neus is de hotspot voor ademhalingsvirussen, zoals COVID of griep. Een neusspray met de NanoGripper zou kunnen voorkomen dat ingeademde virussen een interactie aangaan met de cellen in de neus.”

De NanoGripper zou gemakkelijk kunnen worden ontworpen om zich op andere virussen te richten, zoals griep, HIV of hepatitis B, zei Wang. Daarnaast overweegt Wang de NaoGripper te gebruiken voor gerichte medicijnafgifte. De vingers zouden bijvoorbeeld kunnen worden geprogrammeerd om specifieke kankermarkers te identificeren, en grijpers zouden kankerbestrijdende behandelingen rechtstreeks naar de doelcellen kunnen brengen.

“Deze aanpak heeft een groter potentieel dan de weinige voorbeelden die we in dit werk hebben gedemonstreerd”, zei Wang. “Er zijn enkele aanpassingen die we zouden moeten maken met de 3D-structuur, de stabiliteit en het richten op aptameren of nanobodies, maar we hebben verschillende technieken ontwikkeld om dit in het laboratorium te doen.

“Natuurlijk zou het veel testen vergen, maar de potentiële toepassingen voor de behandeling van kanker en de gevoeligheid die wordt bereikt voor diagnostische toepassingen demonstreren de kracht van zachte nanorobotica.”