Opvouwbaar, organisch en gemakkelijk af te breken: waarom DNA het materiaal is bij uitstek voor nanorobots

Alleen in de kankergeneeskunde proberen clinici legioenen van de eigen cellen van een patiënt aan te vallen en te doden. Maar gezonde omstandercellen raken vaak verstrikt in dodelijk kruisvuur, en daarom kunnen kankerbehandelingen bij patiënten ernstige bijwerkingen veroorzaken.

Onderzoekers zoeken slimmere medicijnen om alleen de slechteriken aan te pakken. Een hoop is dat kleine robots op de schaal van een miljardste van een meter te hulp kunnen komen en medicijnen rechtstreeks aan malafide kankercellen kunnen leveren. Om deze nanorobots te maken, wenden onderzoekers in Europa zich tot de basisbouwstenen van het leven: DNA.

Tegenwoordig zijn robots er in alle soorten en maten. Een van de sterkste industriële robots kan auto’s tillen die meer dan twee ton wegen. Maar materialen als silicium zijn op de kleinste schaal niet zo geschikt.

Hoewel je hele kleine patronen kunt maken in vast silicium, kun je er niet echt mechanische apparaten van maken van minder dan 100 nanometer, zegt professor Kurt Gothelf, chemicus en DNA-nanotechnoloog aan de Universiteit van Aarhus in Denemarken. Dat is waar DNA binnenkomt. “De diameter van de DNA-helix is ​​slechts twee nanometer”, zegt prof. Gothelf. Een rode bloedcel heeft een doorsnede van ongeveer 6000 nanometer.

Lego

Dr. Tania Patiño, een nanotechnoloog aan de Universiteit van Rome in Italië, zegt dat DNA als Lego is. “Je hebt deze kleine bouwstenen en je kunt ze samenvoegen om elke gewenste vorm te creëren”, legde ze uit. Om de analogie voort te zetten: DNA bestaat uit vier verschillende gekleurde blokken en twee van de kleuren paren tegenover elkaar. Dit maakt ze voorspelbaar.

Als je eenmaal een rij DNA-blokken aan elkaar hebt geregen, komt er een andere lijn tegenover elkaar te staan. Wetenschappers hebben geleerd hoe ze DNA zo aan elkaar kunnen rijgen dat ze spleten en bochten introduceren. “Door een slim ontwerp, vertak je DNA-strengen zodat je nu drie dimensies hebt”, zei prof. Gothelf. “Het is heel gemakkelijk te voorspellen hoe het vouwt.”

Dr. Patiño ontwikkelt zelfrijdende DNA-nanobotica in haar project, DNA-Bots. “DNA is in hoge mate afstelbaar”, zei ze. “We kunnen software hebben die ons laat zien welke sequenties welke vorm produceren. Dit is niet mogelijk met andere materialen op deze kleine schaal.”

Hoewel DNA-nanorobots nog lang niet bij mensen worden gebruikt, met Prof. Gothelf die zegt dat ‘we de komende tien jaar geen medicijnen op basis hiervan zullen zien’, wordt er vooruitgang geboekt in het laboratorium. DNA-string van een virus, en vervolgens met software kortere stukken DNA ontwerpen om mee te paren en de string in een gewenste vorm te buigen. “Deze verbazingwekkende techniek wordt DNA-origami genoemd”, zei prof. Gothelf. Het stelt wetenschappers in staat om 3D-bots te maken. gemaakt van DNA.

In een vroege doorbraak, het onderzoekslaboratorium van prof. Gothelf maakte een DNA-doosje met een deksel dat opende. Later werd er nog een groep gevormd een tonvormige robot dat zou kunnen openen wanneer het kankereiwitten herkent, en antilichaamfragmenten afgeven. Deze strategie wordt nagestreefd zodat een DNA-robot op een dag een tumor kan naderen, eraan kan binden en zijn dodelijke lading kan vrijgeven.

“Met nanorobots zouden we een meer specifieke aflevering aan een tumor kunnen hebben”, zei Dr. Patiño. “We willen niet dat onze medicijnen aan het hele lichaam worden afgeleverd.” Zij is in het laboratorium van professor Francesco Ricci, dat werkt op DNA-apparaten voor het detecteren van antilichamen en het afleveren van medicijnen.

Ondertussen leidt het netwerk Prof. Gothelf, DNA-robotica, leidt jonge wetenschappers op om onderdelen voor DNA-robotica te maken die bepaalde acties kunnen uitvoeren. Prof. Gothelf werkt aan een ‘bout en kabel’ die lijkt op een handrem op een fiets, waarbij kracht op de ene plek een verandering in een ander deel van de DNA-robot veroorzaakt. Een cruciaal idee in het netwerk is ‘plug and play’, wat betekent dat alle gebouwde onderdelen compatibel zullen zijn in een toekomstige robot.

Bloedstroom

Naast het uitvoeren van specifieke functies, kunnen de meeste robots bewegen. DNA-robots zijn te minuscuul om tegen onze bloedbaan in te zwemmen, maar het is nog steeds mogelijk om er bruikbare kleine motoren in te bouwen met behulp van enzymen.

Dr. Patiño ontwikkelde eerder een DNA-nanoswitch die de zuurgraad van zijn omgeving kon voelen. Haar DNA-apparaat werkte ook als een zelfrijdende micromotor dankzij een enzym dat reageerde met gewone ureasemoleculen die in ons lichaam worden aangetroffen en als een krachtbron fungeert. “De chemische reactie kan voldoende energie produceren om beweging op te wekken”, zei Dr. Patiño.

Beweging is belangrijk om nanorobots te krijgen waar ze moeten zijn. “We zouden deze robots in de blaas kunnen injecteren en ze oogsten de chemische energie met urease en beweging”, zei Dr. Patiño. In de toekomst zal een dergelijke beweging ‘hen helpen om een ​​tumor of een ziekteplaats efficiënter te behandelen dan passieve nanodeeltjes, die niet kunnen bewegen. “Onlangs hebben Patiño en anderen gemeld dat nanodeeltjes met nanomotoren zich gelijkmatiger verspreiden dan immobiele deeltjes wanneer ze in de blaas van muizen worden geïnjecteerd.

In plaats van door bloed te zwemmen, kunnen nanobots mogelijk door barrières in ons lichaam gaan. De meeste problemen bij het toedienen van medicijnen zijn te wijten aan deze biologische barrières, zoals slijmvlieslagen, merkt dr. Patiño op. De barrières zijn er om ziektekiemen te belemmeren, maar blokkeren vaak medicijnen. De zelfrijdende DNA-robots van Dr. Patiño zouden de doorlaatbaarheid van deze barrières kunnen veranderen of er gewoon doorheen kunnen rijden.

Stabiliteit

Nanodeeltjes kunnen uit de blaas van een patiënt worden verdreven, maar deze optie is niet zo gemakkelijk elders in het lichaam, waar biologisch afbreekbare robots die zichzelf vernietigen, misschien nodig zijn. DNA is een ideaal materiaal, omdat het gemakkelijk in ons wordt afgebroken. Maar dit kan ook een keerzijde zijn, omdat het lichaam snel een DNA-bot kan kauwen voordat het de klus geklaard heeft. Wetenschappers werken aan het coaten of camoufleren van DNA en het versterken van chemische bindingen om de stabiliteit te vergroten.

Een ander mogelijk nadeel is dat naakte stukjes DNA door het immuunsysteem kunnen worden gezien als tekenen van bacteriële of virale vijanden. Dit kan een ontstekingsreactie veroorzaken. Tot nu toe is er nog nooit een DNA-nanobot in een persoon geïnjecteerd. Desalniettemin is Prof. Gothelf ervan overtuigd dat wetenschappers deze problemen kunnen omzeilen.

Stabiliteit en immuunreactie waren inderdaad obstakels die de ontwikkelaars van mRNA-vaccins – die genetische instructies in een nanodeeltje in het lichaam afgeven – moesten overwinnen. “De vaccins van Moderna en Pfizer (BioNTech) (voor COVID-19) hebben een gemodificeerde oligonucleotidestreng die is geformuleerd in een nanoblaasje, dus het is bijna een kleine nanobot,” zei prof. Gothelf. Hij voorziet een toekomst waarin DNA-nanorobots medicijnen precies daar afleveren waar dat nodig is. Een medicijn zou bijvoorbeeld aan een DNA-robot kunnen worden vastgemaakt met een speciale linker die wordt afgesneden door een enzym dat alleen in bepaalde cellen wordt aangetroffen, waardoor het medicijn op een precieze locatie wordt vrijgegeven.

Maar DNA-robotica is niet alleen voor nanogeneeskunde. Prof. Gothelf mengt organische chemie met DNA-nanobots om licht door een draad te sturen die slechts één molecuul breed is. Dit zou de elektronica verder kunnen miniaturiseren. DNA-bots zouden kunnen helpen bij de productie op de kleinste schaal, omdat ze moleculen op verbijsterend kleine maar precieze afstanden van elkaar kunnen plaatsen.

Maar voorlopig dromen de meeste wetenschappers van DNA-robotica voor de geneeskunde. “Je zou structuren kunnen maken die veel intelligenter en veel specifieker zijn dan wat vandaag mogelijk is”, zei prof. Gothelf. “Dit heeft het potentieel om een ​​compleet nieuwe generatie medicijnen te maken.”