DNA-enheder udfører bioanalytisk kemi inde i levende celler

Nogle biokemiske laboratorier omformer proteiner til komplekse former, at konstruere den DNA-nanoteknologiske ækvivalent til barok- eller rokoko-arkitektur. Yamuna Krishnan, imidlertid, foretrækker strukturelt minimalistiske enheder.

"Vores labs filosofi er minimalistisk design, " sagde Krishnan, professor i kemi. "Det grænser til brutalistisk. Funktionelt med nul klokker og fløjter. Der er flere laboratorier, der designer DNA til vidunderlige former, men inde i et levende system, du har brug for så lidt DNA som muligt for at få arbejdet gjort."

Den opgave er at fungere som lægemiddel-leveringskapsler eller som biomedicinske diagnostiske værktøjer.

I 2011 Krishnan og hendes gruppe, derefter på National Center for Biological Sciences i Bangalore, Indien, blev den første til at demonstrere funktionen af ​​en DNA-nanomaskine inde i en levende organisme. Denne nanomaskine, kaldet jeg-switch, målt subcellulær pH ​​med en høj grad af nøjagtighed. Siden 2011 har Krishnan og hendes team har udviklet en palet af pH-sensorer, hver nøglet til målorganellens pH.

Sidste sommer, holdet rapporterede om en anden præstation:udviklingen af ​​en DNA-nanosensor, der kan måle den fysiologiske koncentration af klorid med en høj grad af nøjagtighed.

"Yamuna Krishnan er en af ​​de førende udøvere af biologisk orienteret DNA-nanoteknologi, " sagde Nadrian Seeman, feltets fader og Margaret og Herman Sokol professor i kemi ved New York University. "Disse typer af intracellulære sensorer er unikke efter min viden, og repræsenterer et stort fremskridt inden for DNA-nanoteknologi."

Klorid sensor

Klorid er det mest udbredte, opløselig, negativt ladet molekyle i kroppen. Og dog indtil Krishnan-gruppen introducerede sin kloridsensor – kaldet Clensor – var der ingen effektiv og praktisk måde at måle intracellulære lagre af klorid på.

"Det, der er særligt interessant ved denne sensor, er, at den er fuldstændig pH-uafhængig, "Seeman sagde, en væsentlig afvigelse fra Krishnans tidligere ordning. "Hun brugte en årrække på at udvikle pH-sensorer, der virker intracellulært og giver et fluorescerende signal som følge af et skift i pH."

Evnen til at registrere chloridkoncentrationer er vigtig af mange årsager. Klorid spiller en vigtig rolle i neurobiologi, for eksempel. Men calcium og natrium - begge positivt ladede ioner - har en tendens til at fange det meste af den neurobiologiske herlighed på grund af deres rolle i neuronexcitation.

"Men hvis du vil have din neuron til at fyre igen, du skal bringe den tilbage til sin normale tilstand. Du skal stoppe med at skyde, " sagde Krishnan. Dette kaldes "neuronal hæmning, " hvilket klorid gør.

"Det er vigtigt for at nulstille dit neuron til en anden skyderunde, ellers ville vi alle kun kunne bruge vores hjerne én gang, " hun sagde.

Under normale omstændigheder, transporten af ​​kloridioner hjælper kroppen med at producere tynde, frit strømmende slim. Men en genetisk defekt resulterer i en livstruende sygdom:cystisk fibrose. Clensors evne til at måle og visualisere proteinaktivitet af molekyler som den, der er relateret til cystisk fibrose transmembran, kunne føre til assays med høj gennemstrømning til at screene for kemikalier, der ville genoprette normal funktion af chloridkanalen.

Ni sygdomme

"Man kunne bruge dette til at se på chloridionkanalaktivitet i en række sygdomme, " sagde Krishnan. "Mennesker har ni chloridionkanaler, og mutationen af ​​hver af disse kanaler resulterer i ni forskellige sygdomme." Blandt dem er osteopetrose, døvhed, muskeldystrofi og Bests makula dystrofi.

I-switchens pH-følende egenskaber, i mellemtiden, er vigtige, fordi celler indeholder flere organeller, der opretholder specifikke surhedsværdier. Celler har brug for disse forskellige mikromiljøer for at udføre specialiserede kemiske reaktioner.

"Hver subcellulær organel har en specifik hvileværdi af surhed, og at surhedsgraden er afgørende for dens funktion, " sagde Krishnan. "Når pH-værdien ikke er den værdi, den er beregnet til at være, det resulterer i en række forskellige sygdomme."

Der er 70 sjældne sygdomme kaldet lysosomale lagringsforstyrrelser, som er progressive og ofte fatale. Hver enkelt – inklusive Battens sygdom, Niemann-Pick sygdom, Pompes sygdom og Tay-Sachs sygdom - repræsenterer en anden måde, hvorpå et lysosom kan blive dårligt. Hun sammenlignede et defekt lysosom med en skraldespand, der aldrig bliver tømt.

"Lysosomet er dybest set ansvarlig for at tygge alt affaldet op og sørge for, at det enten bliver genbrugt eller fjernet. Det er den sureste organel i cellen." Og den surhed er afgørende for nedbrydningsprocessen.

Selvom der er 70 lysosomale lagringssygdomme, lægemidler med små molekyler er kun tilgængelige for nogle få af dem. Disse eksisterende behandlinger - enzymerstatningsterapier - er dyre og er kun palliative behandlinger. Et mål for Krishnans gruppe er at demonstrere nytten af ​​deres pH-sensorer til at opdage ny biologisk indsigt i disse sygdomme. At udvikle lægemidler med små molekyler - som er strukturelt enklere og nemmere at fremstille end traditionelle biologiske lægemidler - kan hjælpe betydeligt.

"Hvis vi kan gøre dette for en eller to lysosomale sygdomme, der vil være håb for de andre 68, " sagde Krishnan.