Нанороботи ДНК, які можуть змінити штучні клітини, пропонують новий інструмент для синтетичної біології

Форма та морфологія клітин відіграють ключову роль у біологічній функції. Це відповідає принципу “форми, що слідує за функцією”, що є поширеним у сучасних галузях дизайну та архітектури. Перенесення цього принципу в штучні клітини є проблемою в синтетичній біології. Успіхи в нанотехнології ДНК тепер пропонують багатообіцяючі рішення. Вони дозволяють створити нові транспортні канали, які є достатньо великими, щоб полегшити проходження терапевтичних білків через клітинні мембрани.

У цій галузі, що розвивається, професор Лаура На Лю, директор 2-го інституту фізики в Університеті Штутгарта та колегія в Інституті досліджень твердого роду Max Planck (MPI-FKF), розробив інноваційний інструмент для контролю форми та проникності ліпідних мембран у синтетичних клітинах. Ці мембрани складаються з ліпідних двошарових шарів, які закривають водне відділення і служать спрощеними моделями біологічних мембран. Вони корисні для вивчення динаміки мембрани, взаємодії з білками та поведінки ліпідів.

Робота публікується в Природні матеріали.

Віха застосування нанотехнологій ДНК

Цей новий інструмент може прокласти шлях до створення функціональних синтетичних клітин. Робота Лаури На Лю має на меті суттєво впливати на дослідження та розробку нових методів терапії. Лю та її команді вдалося використовувати залежні від сигналу нанороботів ДНК, щоб дозволити програмовану взаємодію з синтетичними клітинами.

“Ця робота є віхою у застосуванні нанотехнологій ДНК для регулювання поведінки клітин”, – говорить Лю.

Команда працює з гігантськими везикулами (GUV), які є простими структурами розміром з клітинами, що імітують живі клітини. Використовуючи нанороботи ДНК, дослідники змогли впливати на форму та функціональність цих синтетичних клітин.

Нові транспортні канали для білків та ферментів

Нанотехнологія ДНК – одна з головних дослідницьких напрямків Лаури На Лю. Вона є експертом у структурах ДНК орігамі-нитки ДНК, що складаються за допомогою спеціально розроблених коротших послідовностей ДНК, так званих скоб. Команда Liu використовувала структури ДНК орігамі як налаштовані нанороботи, які можуть оборотно змінити свою форму і тим самим впливати на їх безпосереднє середовище в діапазоні мікрометра.

Дослідники встановили, що трансформація цих нанороботів ДНК може поєднуватися з деформацією GUV та утворенням синтетичних каналів у модельних мембранах GUV. Ці канали дозволили великі молекули пройти через мембрану і, якщо це необхідно, можуть бути вчинені.

Повністю штучні структури ДНК для біологічного середовища

“Це означає, що ми можемо використовувати нанороботи ДНК для розробки форми та конфігурації GUV, щоб забезпечити утворення транспортних каналів у мембрані”,-каже професор Стефан Нуссбергер, який є співавтором цього твору.

“Надзвичайно захоплююче, що функціональний механізм нанороботів ДНК на GUV не має прямого біологічного еквівалента в живих клітинах”.

Нова робота викликає нові питання: чи можуть синтетичні платформи – такі як нанороботи ДНК – розробляються з меншою складністю, ніж їхні біологічні аналоги, які все -таки функціонують у біологічному середовищі?

Розуміння механізмів захворювання та вдосконалення терапії

Нове дослідження є важливим кроком у цьому напрямку. Система перехресних мембранних каналів, створених нанороботами ДНК, дозволяє ефективно проходити певні молекули та речовини в клітини. Найголовніше, що ці канали великі і можуть бути запрограмовані для закриття при необхідності.

При застосуванні до живих клітин ця система може полегшити транспортування терапевтичних білків або ферментів до своїх цілей у клітині. Таким чином, він пропонує нові можливості для введення наркотиків та інших терапевтичних втручань.

“Наш підхід відкриває нові можливості для імітації поведінки живих клітин. Цей прогрес може бути вирішальним для майбутніх терапевтичних стратегій”,-каже професор Хао Ян, один із співавторів цієї роботи.