Fremstilling af nanotråde fra protein og DNA

Evnen til at specialdesigne biologiske materialer som protein og DNA åbner op for teknologiske muligheder, som var utænkelige for blot et par årtier siden. For eksempel, syntetiske strukturer lavet af DNA kunne en dag bruges til at levere kræftmedicin direkte til tumorceller, og tilpassede proteiner kunne designes til specifikt at angribe en bestemt slags virus. Selvom forskere allerede har lavet sådanne strukturer ud af DNA eller protein alene, et Caltech-team skabte for nylig - for første gang - en syntetisk struktur lavet af både protein og DNA. Kombinationen af ​​de to molekyletyper til ét biomateriale åbner døren til adskillige anvendelser.

Et papir, der beskriver de såkaldte hybridiserede, eller flere komponenter, materialer vises i 2. september-udgaven af ​​tidsskriftet Natur .

Der er mange fordele ved flere komponentmaterialer, siger Yun (Kurt) Mou (PhD '15), første forfatter til Natur undersøgelse. "Hvis dit materiale består af flere forskellige slags komponenter, det kan have mere funktionalitet. For eksempel, protein er meget alsidigt; den kan bruges til mange ting, såsom protein-protein-interaktioner eller som et enzym for at fremskynde en reaktion. Og DNA kan nemt programmeres ind i nanostrukturer i forskellige størrelser og former."

Men hvordan begynder man at skabe noget som en protein-DNA nanotråd – et materiale, som ingen har set før?

Mou og hans kolleger i Stephen Mayos laboratorium, Bren professor i biologi og kemi og William K. Bowes Jr. lederskabsformand for Caltechs afdeling for biologi og biologisk teknik, begyndte med et computerprogram til at designe den type protein og DNA, der ville fungere bedst som en del af deres hybridmateriale. "Materialer kan dannes ved at bruge en prøve-og-fejl metode til at kombinere ting for at se, hvilke resultater, men det er bedre og mere effektivt, hvis du først kan forudsige, hvordan strukturen er og derefter designe et protein til at danne den slags materiale, " han siger.

Forskerne indtastede egenskaberne af den protein-DNA nanotråd, de ønskede, i et computerprogram udviklet i laboratoriet; programmet genererede derefter en sekvens af aminosyrer (proteinbyggesten) og nitrogenholdige baser (DNA-byggesten), der ville producere det ønskede materiale.

Imidlertid, succesfuld fremstilling af et hybridmateriale er ikke så simpelt som bare at tilslutte nogle egenskaber til et computerprogram, siger Mou. Selvom computermodellen giver en sekvens, forskeren skal grundigt kontrollere modellen for at være sikker på, at den producerede sekvens giver mening; hvis ikke, forskeren skal give computeren information, der kan bruges til at rette modellen. "Så til sidst, du vælger den rækkefølge, som du og computeren begge er enige om. Derefter, du kan fysisk blande de foreskrevne aminosyrer og DNA-baser for at danne nanotråden."

Den resulterende sekvens var en kunstig version af en protein-DNA-kobling, der forekommer i naturen. I den indledende fase af genekspression, kaldet transskription, en sekvens af DNA omdannes først til RNA. At trække det enzym ind, der rent faktisk transkriberer DNA'et til RNA, proteiner kaldet transkriptionsfaktorer skal først binde visse områder af DNA-sekvensen kaldet proteinbindende domæner.

Ved hjælp af computerprogrammet, forskerne konstruerede en sekvens af DNA, der indeholdt mange af disse proteinbindende domæner med jævne mellemrum. De valgte derefter transkriptionsfaktoren, der naturligt binder til dette særlige proteinbindingssted - transkriptionsfaktoren kaldet Engrailed fra frugtfluen Drosophila. Imidlertid, i naturen, Engrailed binder sig kun til proteinbindingsstedet på DNA'et. At skabe en lang nanotråd lavet af en kontinuerlig streng af protein knyttet til en kontinuerlig streng af DNA, forskerne var nødt til at modificere transkriptionsfaktoren til at inkludere et sted, der ville gøre det muligt for Engrailed også at binde til det næste protein i rækken.

"I bund og grund, det er som at give dette protein to hænder i stedet for kun én, " Mou forklarer. "Hånden, der holder DNA'et, er let, fordi det er leveret af naturen, men den anden hånd skal tilføjes der for at holde på et andet protein."

En anden unik egenskab ved denne nye protein-DNA nanotråd er, at den anvender coassembly - hvilket betyder, at materialet ikke vil dannes, før både proteinkomponenterne og DNA-komponenterne er blevet tilføjet til opløsningen. Selvom materialer tidligere kunne være lavet af DNA med protein tilføjet senere, brugen af ​​coassembly til fremstilling af hybridmaterialet var den første. Denne egenskab er vigtig for materialets fremtidige brug i medicin eller industri, Mou siger, da de to sæt komponenter kan leveres separat og derefter kombineres for at lave nanotråden, når og hvor det er nødvendigt.

Denne opdagelse bygger på tidligere arbejde i Mayo-laboratoriet, hvilken, i 1997, skabte et af de første kunstige proteiner, lancerer dermed feltet for beregningsmæssigt proteindesign. Evnen til at skabe syntetiske proteiner giver forskere mulighed for at udvikle proteiner med nye muligheder og funktioner, såsom terapeutiske proteiner, der retter sig mod kræft. Skabelsen af ​​en sammensat protein-DNA nanotråd er en anden milepæl på dette område.

"Vores tidligere arbejde fokuserede primært på at designe opløselige, systemer med kun protein. Det arbejde, der er rapporteret her, repræsenterer en betydelig udvidelse af vores aktiviteter til området for blandede biomaterialer i nanoskala, " siger Mayo.

Selvom udviklingen af ​​dette nye biomateriale er i de meget tidlige stadier, metoden, Mou siger, har mange lovende applikationer, der kan ændre forskning og klinisk praksis i fremtiden.

"Vores næste skridt vil være at udforske de mange potentielle anvendelser af vores nye biomateriale, Mou siger. "Det kunne inkorporeres i metoder til at levere lægemidler ind i celler - at skabe målrettede terapier, der kun binder til en bestemt biomarkør på en bestemt celletype, såsom kræftceller. Vi kunne også udvide ideen om protein-DNA nanotråde til protein-RNA nanotråde, der kunne bruges til genterapiapplikationer. Og fordi dette materiale er helt nyt, der er sikkert mange flere ansøgninger, som vi ikke engang har overvejet endnu."