Designerpiercinger:Nye membranporer med DNA-nanoteknologi

En ny måde at bygge membran-krydsende porer på, ved hjælp af lego-lignende DNA byggeklodser, er udviklet af forskere ved UCL, i samarbejde med kolleger ved University of Cambridge og University of Southampton.

Tilgangen giver et enkelt og billigt værktøj til syntetisk biologi, og teknikken har potentielle anvendelser inden for diagnostiske anordninger og lægemiddelopdagelse. Forskningen er omtalt i det aktuelle nummer af tidsskriftet Angewandte Chemie .

Membranporer er portene, der kontrollerer transporten af ​​essentielle molekyler over de ellers uigennemtrængelige membraner, der omgiver celler i levende organismer. Typisk lavet af proteiner, porer af forskellig størrelse styrer strømmen af ​​ioner og molekyler både og ind og ud af cellen som en del af en organismes stofskifte.

Vores forståelse af membranporer kommer både fra studiet af begge naturlige porer, og fra tilsvarende strukturer bygget i laboratoriet af syntetiske biologer. Men syntetiske proteiner er notorisk vanskelige at håndtere på grund af de komplekse og ofte uforudsigelige måder, hvorpå deres strukturer kan foldes. Selv mindre proteinfejlfoldninger ændrer et proteins egenskaber, hvilket betyder, at det kan være risikabelt og tidskrævende at bygge syntetiske porer ud af proteiner.

En mere ligetil tilgang er såkaldt 'rationel ingeniørarbejde' ved hjælp af Lego-lignende DNA-byggeklodser. Selvom det generelt er kendt som livets genetiske kode, DNA-strenge, som er kemisk meget enklere end proteiner, er langt nemmere og mere forudsigelige at arbejde med end proteiner. Som sådan er de et nyttigt materiale til at bygge nanoskalastrukturer i laboratoriet.

"DNA er et byggemateriale, der følger meget enkle regler", sagde Dr. Stefan Howorka (UCL Chemistry). "Nye nanostrukturer kan nemt designes ved hjælp af et computerprogram, og elementerne passer sammen som legoklodser. Så vi kan bygge mere eller mindre, hvad vi vil."

Ved at bruge denne tilgang, holdet byggede et lille rør, der kun målte 14 nanometer langs og 5,5 nanometer på tværs (omkring 10, 000 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår). Dette udgjorde hoveddelen af ​​deres kunstige nanopore. Imidlertid, at indsætte røret i en cellemembran, en nøgleudfordring skulle løses:den vandopløselige DNA-baserede struktur vil ikke indlejre sig i den fedtede membran, som er sammensat af lipider.

For at overvinde dette, forskerne fastgjorde kemisk to store ankre til DNA-røret, lavet af molekyler, som har en naturlig affinitet til lipider. Disse strukturer var derefter i stand til at indlejre røret i membranen. Disse strukturer, som er baseret på naturligt afledte porphyriner, blev designet af en gruppe ledet af Dr. Eugen Stulz (University of Southampton).

"Porphyrinmolekyler har ideelle egenskaber til vores formål, Stulz forklarer. "De er et stærkt membrananker, som låser nanoporen sikkert ind i lipidmembranen. Ud over, de er fluorescerende, hvilket betyder, at de er nemme at se og studere. Dette gør dem overlegne i forhold til andre teknologier."

Porerne blev karakteriseret med elektriske og fluorescensmålinger i samarbejde med Dr. Ulrich Keyser (Cavendish Laboratory, Cambridge).

Enkelheden ved selv at samle en struktur med kun to ankre (tidligere undersøgelser brugte 26 eller endda 72 sådanne ankre) strømliner i høj grad designet og syntesen af ​​nanoporer.

"I fremtiden, denne nye proces vil gøre os i stand til at skræddersy DNA-nanoporer til en meget bredere vifte af applikationer, end det er muligt i øjeblikket, " siger Keyser.

Evnen til at skabe syntetiske kanaler gennem lipidmembraner muliggør adskillige anvendelser inden for biovidenskab. I første omgang DNA-nanoporer er af stor interesse for biosensing, såsom hurtig DNA-analyse.

Men skræddersyede porer kan også forventes at hjælpe med udviklingen af ​​nye lægemidler. Prototypelægemidler er typisk designet til at påvirke et biologisk mål, men er ikke konstrueret til at krydse cellemembranen. Selvsamlede porer giver en vej for lægemidler til at passere ind i celler, giver mulighed for meget hurtigere præklinisk screening for aktivitet.