Wetenschappers ontwikkelen methode om timing van synthetische DNA-druppeldeling te controleren

Veel cellulaire functies in het menselijk lichaam worden aangestuurd door biologische druppeltjes, zogenaamde vloeistof-vloeistof fasescheiding (LLPS) druppeltjes. Deze druppeltjes, gemaakt van zachte biologische materialen, bestaan ​​in levende cellen, maar zijn niet omgeven door membranen zoals de meeste celstructuren.

Omdat ze geen membranen hebben, kunnen LLPS-druppels zich snel aanpassen aan wat de cel nodig heeft. Ze kunnen bewegen, delen en hun structuur of inhoud veranderen. Deze flexibiliteit is essentieel voor verschillende functies, zoals de transcriptie van ribosomaal RNA (rRNA) in de nucleolus, waardoor sol-gel-overgangen mogelijk worden waarin materialen verschuiven tussen vloeistofachtige en gelachtige toestanden, en chemische reacties in de cellen worden gecontroleerd.

Geïnspireerd door deze unieke eigenschappen hebben wetenschappers synthetische LLPS-druppels ontwikkeld om hun biologische tegenhangers na te bootsen. Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt in het controleren van de verdeling en beweging van synthetische druppels, is nauwkeurige controle over de timing van deze processen een uitdaging gebleven.

Een studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie op 27 augustus 2024 markeert een belangrijke doorbraak op dit gebied. Onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, ontwikkelden een methode om de timing van deling in synthetische DNA-druppels, die biologische LLPS-druppels nabootsen, nauwkeurig te controleren. Ze bereikten dit door een tijdvertragingscircuit te ontwerpen, waarbij de deling van druppels wordt gereguleerd door een combinatie van remmende RNA’s en een enzym, Ribonuclease H (RNase H).

Professor Masahiro Takinoue, de hoofdauteur van de studie, legt uit: “We tonen de timing-gestuurde delingsdynamiek van kunstmatige cellen op basis van DNA-druppels aan door ze te koppelen aan chemische reacties die een tijdelijk niet-evenwichtsrelaxatieproces vertonen, wat resulteert in de padcontrole van kunstmatige celdeling.”

In hun aanpak worden de DNA-druppels bij elkaar gehouden door Y-vormige DNA-nanostructuren die verbonden zijn via zes-vertakte DNA-linkers. Deze linkers kunnen door specifieke DNA-sequenties worden gesplitst in de linkers die worden gebruikt als deling-trigger-DNA’s.

In eerste instantie zijn de delingstriggers gebonden aan enkelstrengs RNA (ssRNA) moleculen, RNA-remmers genoemd. Door het enzym RNase H toe te voegen, worden deze remmers afgebroken, waardoor de delingstriggers de DNA-linkers kunnen doorknippen en druppeldeling kunnen initiëren.

“Deze twee reacties zorgen voor een vertraging in de splitsing van de DNA-linker, waardoor de timing van de deling van de DNA-druppels wordt gecontroleerd”, legt Takinoue uit.

De onderzoekers bereikten met succes een padgestuurde deling in een ternair gemengd C·A·B-druppelsysteem, bestaande uit drie Y-vormige DNA-nanostructuren die bij elkaar worden gehouden door twee linkers. Door de afgifte van delingstriggers te remmen en te controleren, stelden ze twee afzonderlijke delingspaden vast: Pad 1, waarbij C·A·B-druppels eerst in C-druppels en vervolgens in A·B-druppels werden gesplitst, en Pad 2, waarbij C·A·B-druppels eerst in B-druppels en vervolgens in C·A-druppels werden gesplitst.

Deze padcontrole werd vervolgens toegepast op een moleculair computerelement dat bekend staat als een comparator, die concentraties van microRNA (miRNA) vergeleek die als remmende RNA’s werden gebruikt. De comparator gebruikte verschillen in RNA-concentraties om te bepalen welk pad werd gevolgd, wat een methode bood om RNA-niveaus kwantitatief te vergelijken, wat potentiële toepassingen heeft in diagnostiek.

Hoewel de chemische reacties van de studie veelbelovend waren, waren ze tijdelijk en hielden ze geen niet-evenwichtstoestand in stand zoals cellulaire systemen. Om stabiele en duurzame niet-evenwichtssystemen te ontwikkelen, benadrukken onderzoekers de noodzaak van chemische reacties die een continue energievoorziening in stand houden. Desondanks biedt het onderzoek een waardevolle basis voor verdere ontwikkelingen in het beheersen van de dynamiek van synthetische druppels.

“Wij geloven dat deze technologie een strategie biedt om kunstmatige cellen en moleculaire robots te creëren met geavanceerdere functies, zoals tijdgestuurde zelfreplicatie, medicijntoediening en diagnose, met meer nauwkeurigheid en kwantitatieve specificaties”, aldus Takinoue.