Programmering af DNA til at levere kræftmedicin

DNA har en vigtig opgave - det fortæller dine celler, hvilke proteiner de skal lave. Nu, et forskerhold ved University of Delaware har udviklet teknologi til at programmere DNA-strenge til switche, der tænder og slukker for proteiner.

UD's Wilfred Chen Group beskriver deres resultater i et papir offentliggjort mandag, 12. marts i journalen Naturkemi . Denne teknologi kan føre til udvikling af nye kræftbehandlinger og andre lægemidler.

Beregning med DNA

Dette projekt tager fat på et spirende felt kendt som DNA computing. Data, vi almindeligvis sender og modtager i hverdagen, såsom tekstbeskeder og billeder, bruge binær kode, som har to komponenter - ener og nuller. DNA er i bund og grund en kode med fire komponenter, nukleotiderne guanin, adenin, cytosin, og thymin. I celler, arrangementet af disse fire nukleotider bestemmer outputtet - proteinerne lavet af DNA'et. Her, videnskabsmænd har genbrugt DNA-koden til at designe logik-gatede DNA-kredsløb.

"Når vi havde designet systemet, vi skulle først gå ind i laboratoriet og knytte disse DNA-strenge til forskellige proteiner, vi ønskede at kunne kontrollere, " sagde studieforfatter Rebecca P. Chen, en ph.d.-studerende i kemi- og biomolekylær teknik (ingen relation til Wilfred Chen). De specialdesignede sekvensdesignede DNA-strenge blev bestilt fra en producent, mens proteinerne blev fremstillet og oprenset i laboratoriet. Næste, proteinet blev bundet til DNA'et for at lave protein-DNA-konjugater.

Gruppen testede derefter DNA-kredsløbene på E. coli-bakterier og humane celler. Målproteinerne organiseret, samlet, og demonteres i overensstemmelse med deres design.

"Tidligere arbejde har vist, hvor stærk DNA-nanoteknologi muligvis kan være, og vi ved, hvor kraftfulde proteiner er i celler, " sagde Rebecca P. Chen. "Vi formåede at forbinde de to sammen."

Ansøgninger til lægemiddellevering

Holdet demonstrerede også, at deres DNA-logiske enheder kunne aktivere et ikke-toksisk kræftprodrug, 5-fluorocytosin, til sin giftige kemoterapeutiske form, 5-fluoruracil. Kræftprodrugs er inaktive, indtil de metaboliseres til deres terapeutiske form. I dette tilfælde, forskerne designede DNA-kredsløb, der kontrollerede aktiviteten af ​​et protein, der var ansvarlig for omdannelsen af ​​prodruget til dets aktive form. DNA-kredsløbet og proteinaktiviteten blev "tændt" af specifikke RNA/DNA-sekvensinput, mens systemet i mangel af nævnte input forblev "slukket".

At gøre dette, forskerne baserede deres sekvensinput på mikroRNA, små RNA-molekyler, der regulerer cellulær genekspression. MikroRNA i kræftceller indeholder anomalier, som ikke ville blive fundet i raske celler. For eksempel, visse mikroRNA er til stede i kræftceller, men fraværende i raske celler. Gruppen beregnede, hvordan nukleotider skulle arrangeres for at aktivere kræftprodruget i nærværelse af kræftmikroRNA, men forbliv inaktiv og ikke-giftig i et ikke-cancerøst miljø, hvor mikroRNA mangler. Når kræftmikroRNA'erne var til stede og i stand til at tænde for DNA-kredsløbet, celler var ude af stand til at vokse. Da kredsløbet blev slukket, celler voksede normalt.

Denne teknologi kan have vidtrækkende anvendelser ikke kun til andre sygdomme udover kræft, men også ud over det biomedicinske område. For eksempel, forskerholdet viste, at deres teknologi kunne anvendes til produktion af biobrændstoffer, ved at bruge deres teknologi til at lede en enzymatisk kaskade, en række kemiske reaktioner, at nedbryde en plantefiber.

Ved at bruge den nyudviklede teknologi, forskere kunne målrette enhver DNA-sekvens efter eget valg og vedhæfte og kontrollere ethvert protein, de ønsker. En skønne dag, forskere kunne "plug and play" programmeret DNA ind i en række forskellige celler for at adressere en række forskellige sygdomme, sagde studieforfatter Wilfred Chen, Gore professor i kemiteknik.

"Dette er baseret på et meget simpelt koncept, en logisk kombination, men vi er de første til at få det til at fungere, " sagde han. "Det kan løse en bred vifte af problemer, og det gør det meget spændende."