Blok copolymer micellisering som en beskyttelsesstrategi for DNA-origami

Forskere fra Center for Advancing Electronics Dresden / TU Dresden og University of Tokyo ledet af Dr. Thorsten-Lars Schmidt (cfaed) udviklede en metode til at beskytte DNA-origami-strukturer mod nedbrydning i biologiske medier. Denne beskyttelse muliggør fremtidige anvendelser inden for nanomedicin eller cellebiologi.

Den præcise placering af individuelle molekyler i forhold til hinanden er fundamentalt udfordrende. DNA Nanoteknologi muliggør syntese af objekter på nanometerstørrelse med programmerbare former ud fra mange kemisk fremstillede DNA-fragmenter. En af de mest udbredte metoder på dette område kaldes "DNA origami", som gør det muligt at fremstille nanopartikler med næsten vilkårlige former, som er omkring tusind gange mindre end diameteren af ​​et menneskehår. De kan funktionaliseres stedsspecifikt med en lang række materialer såsom individuelle proteinmolekyler, antistoffer, lægemiddelmolekyler eller uorganiske nanopartikler. Dette gør det muligt at placere dem i definerede geometrier eller afstande med nanometerpræcision.

På grund af denne unikke kontrol over stof på nanometerskalaen, DNA-nanostrukturer er også blevet overvejet til anvendelser inden for molekylærbiologi og nanomedicin. For eksempel, de kan bruges som programmerbare lægemiddelbærere, diagnostiske anordninger eller til at studere cellers respons på præcist arrangerede molekyler. Imidlertid, mange af disse kunstige DNA-nanostrukturer har brug for en meget højere saltkoncentration end i kropsvæsker eller cellekulturbuffere for at bevare deres struktur og dermed deres funktionalitet. I øvrigt, de kan nedbrydes hurtigt af specielle enzymer (nukleaser), der er til stede i kropsvæsker såsom spyt eller blod, der fordøjer fremmed DNA. Denne ustabilitet begrænser enhver biologisk eller medicinsk anvendelse.

For at overvinde denne mangel, et team ledet af cfaed forskningsgruppeleder Dr. Thorsten L. Schmidt (Technische Universität Dresden / Tyskland) coated flere forskellige DNA origami strukturer med en syntetisk polymer. Denne polymer består af to segmenter, et kort positivt ladet segment, som elektrostatisk "limer" polymeren til den negativt ladede DNA-nanostruktur og en lang uladet polymerkæde, der dækker hele nanostrukturen, der ligner en pels. I deres undersøgelse "Block Copolymer Micellization as a Protection Strategy for DNA Origami" offentliggjort i Angewandte Chemie [DOI:10.1002/anie.201608873] viste de, at sådanne DNA-nanostrukturer dækket med polymererne var beskyttet mod nukleasefordøjelse og lavt saltindhold. Desuden viste de, at strukturer funktionaliserede med nanopartikler kan beskyttes af samme mekanisme.

Dette ligetil, omkostningseffektiv og robust vej til at beskytte DNA-baserede strukturer kunne derfor muliggøre anvendelser inden for biologi og nanomedicin, hvor ubeskyttet DNA-origami ville blive nedbrudt.