Nieuw gereedschap onthult hoe DNA -nanostructuren interageren met celmembranen

Lipidemembranen, die de buitenste laag cellen vormen, kunnen worden ontworpen om cellulaire functies te beïnvloeden. Het aanpassen van de permeabiliteit van het membraan kan bijvoorbeeld de medicijnafgifte verbeteren. Het toevoegen van signaalmoleculen aan het membraanoppervlak kan ook helpen geneesmiddelen naar specifieke weefsels te leiden, waardoor de behandelings precisie wordt verhoogd.

DNA -nanostructuren komen voor dit doel op als nuttige hulpmiddelen. Door hydrofobe groepen zoals cholesterol te bevestigen, die ze verankeren in de hydrofobe kern van het lipidemembraan, hebben wetenschappers de eigenschappen van het membraan kunnen veranderen, zoals het vergroten van de sterkte of het veranderen van zijn vorm.

Onderzoekers van Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japan, hebben een belangrijke vooruitgang geboekt bij het karakteriseren van DNA-LIPID-interacties met behulp van Quartz Crystal Microbalance met energiedissipatiemonitoring (QCM-D). Deze techniek meet veranderingen in de massa en visco -elastische eigenschappen van moleculen geadsorbeerd op oppervlakken.

De studie werd geleid door universitair hoofddocent Tomohiro Hayashi, doctoraatsstudent Zugui Peng en professor Tohru Yagi van het Department of Materials Science and Engineering, School of Materials and Chemical Technology, en het Department of Mechanical Engineering, School of Engineering at Science Tokyo.

Gepubliceerd in het dagboek Nanoschaal Op 15 april 2025 biedt het een nieuwe benadering om te monitoren hoe DNA -nanostructuren hechten en interageren met lipidemembranen. Het onthult ook mechanische veranderingen, zoals variaties in stijfheid of vloeibaarheid, zowel in het membraan als de DNA -laag. Deze inzichten zijn moeilijk te verkrijgen via conventionele optische methoden alleen.

“Deze studie is de eerste die QCM-D toepast bij het onderzoeken van hoe DNA-nanostructuren interageren met lipide dubbellaags. Door inzichten te onthullen buiten het bereik van optische methoden, blijkt QCM-D een krachtige techniek te zijn voor het analyseren van verschillende DNA-nanostructuren,” zegt Dr. Hayashi.

De onderzoekers bestudeerden de opname van zes-helix-bundel-DNA-nanoporiën (DNP’s) met één cholesterol en (DNP-1C) drie cholesterol-tags (DNP-3C) in ondersteunde lipidebilayers (SLB’s). Om membranen met een lage herkomst te modelleren die vergelijkbaar zijn met die gevonden in gigantische unilamellaire blaasjes (GUV’s), gebruikten ze lipidebilagen ondersteund op siliciumoxide (SIO (SIO₂) en een polyethyleenglycol (PEG) -coatoppervlak.

Bij de introductie van de DNP’s in het substraat, merkten de onderzoekers op dat zowel DNP-1C als DNP-3C binnen enkele seconden snel aan het membraan waren gehecht, maar hun langdurige gedragingen verschilden aanzienlijk. DNP-1C vormde een zachte, stabiele laag op het membraanoppervlak die in de loop van de tijd ongewijzigd bleef, terwijl DNP-3C geleidelijk werd geaggregeerd in een dichtere, meer rigide structuur naarmate de oppervlakteconcentratie toeneemde. Deze aggregatie ging vergezeld van langzame, aanhoudende integratie in de lipide dubbellaag.

Door de viscositeit van de geadsorbeerde lagen te meten, ontdekte het team dat DNP-3C gedurende meer dan 10 uur blijft integreren in lipidebilagen. De onderzoekers stellen voor dat de niet -geïnserteerde cholesterolankers van de gebonden DNP’s kunnen interageren met vrij zwevende DNP’s, wat leidt tot verhoogde clustering en aanhoudende integratie in de lipidenlaag.

Ze ontdekten ook dat het ondersteunende substraat de interactiedynamiek sterk beïnvloedde. PEG-ondersteunde SLB’s vergemakkelijkten snellere opname van DNP-3C vergeleken met SLB’s op kale SIO₂waarbij het negatief geladen oppervlak en dichter bij het membraan de DNP -integratie remden.

Deze bevindingen hebben belangrijke implicaties voor het ontwerp en de toepassing van DNA -nanostructuren. “Onze studie is cruciaal voor het begrijpen van membraan-interagerende DNA-nanostructuren. Wij geloven dat het DNA-nanotechnologisch onderzoek zal versnellen, wat leidt tot de ontwikkeling van effectievere membraaninteractiestructuren,” merkte Dr. Hayashi op.

Met QCM-D die nieuwe inzichten biedt, zijn wetenschappers nu een stap dichter bij het ontwerpen van DNA-nanostructuren voor baanbrekende biomedische toepassingen zoals kunstmatige cellen en moleculaire sensoren.