Strukturelt designet DNA-stjerne skaber en ultrafølsom test for dengue-virus

Ved at folde stumper af DNA i form af en femtakket stjerne ved hjælp af strukturel DNA-nanoteknologi, forskere har skabt en fælde, der fanger dengue-virus, mens den flyder i blodbanen. Når først udspringet, fælden - som er ugiftig og naturligt fjernes fra kroppen - lyser op. Det er den mest følsomme test for de myggebårne sygdomme, der endnu er udtænkt.

Udgivet i dag i Naturkemi , denne detektionsteknik kunne udvides til andre vira og tilpasses til at dræbe de vira, den fanger.

"Dette er mere følsomt end nogen anden måde at opdage dengue på, slår den kliniske test med mere end 100 gange, " sagde Xing Wang, den tilsvarende forfatter til undersøgelsen, en adjunkt i kemi og medlem af Center for Bioteknologi og Interdisciplinære Studier (CBIS) ved Rensselaer Polytekniske Institut på forskningstidspunktet. "Bindningen er tæt, og specificiteten er høj, gør det muligt for os at skelne tilstedeværelsen af ​​dengue på den første dag af infektion."

En fælde kan være effektiv mod mange forskellige vira, fordi for at inficere deres vært, alle vira skal først låse sig fast på en cellevæg og fjerne deres genetiske instruktioner ind i cellen. I 2016 forskning udført på CBIS, Rensselaer kemiker Robert Linhardt og Rensselaer kemiingeniør Jonathan Dordick konstruerede en syntetisk polymer konfigureret til at matche en sekvens af sialinsyrelåsepunkter på influenzavirussen. I lungen, influenza skal binde sig til sialinsyre for at invadere lungeceller. Den syntetiske fælde fungerede som et lokkemiddel, fange influenza, før den satte sig fast på lungeceller.

Behandlingen reducerede influenza A-dødeligheden hos mus fra 100 % til 25 % over 14 dage. Imidlertid, Linhardt og Dordick, som begge er medforfattere på den nye undersøgelse, forventede, at den syntetiske polymer, de havde brugt som ramme for fælden, kunne vise sig at være giftig for kroppen og sandsynligvis ikke ville blive accepteret som et terapeutisk middel.

Strukturel DNA-nanoteknologi - en etableret metode til at folde DNA-strenge til designet, tilpassede geometriske former og objekter - tilbød forskerholdet en giftfri, biologisk nedbrydeligt alternativ til at bygge en ny fælde på, sagde Wang. Den sfæriske overflade af Dengue, ligesom den nært beslægtede Zika-virus, er besat med flere låsepunkter for at fange en celleoverflade.

Ved at overlejre forskellige DNA-nanostrukturelle former på billeder af virussen, holdet tog udgangspunkt i en femtakket stjerne – de kalder den en "DNA-stjerne" – som det bedste match mellem punkter på DNA-formen og låsepunkter på virussen.

Wang tog føringen med at producere DNA-stjernen. Han vedhæftede også specifikke aptamerer - molekyler de virale låse vil binde til - præcist til stjernens spidser og hjørner, så de ville flugte med fordelingen af ​​låsene på virussen.

"Du kunne overlejre stjernen på virussen og målrette en hel halvkugle af kuglen præcist, " sagde Wang, nu ved University of Illinois i Urbana-Champaign. "Alle ligander, der ville målrette mod antigenerne af denne virus, ville overlejre perfekt med en DNA-stjerne. Hvis vi kun var i stand til at skabe en forbindelse ét sted, ville det være et svagt bindemiddel, men med ti aptamerer, der forbinder virussen med stjernen, vi har et godt greb om målet."

Når først bundet til virussen, DNA-stjernen begynder at fluorescere, gør det let synligt i en blodprøve.

"At bruge designer DNA nanoarkitektur som en diagnostik er et første skridt. Det næste skridt ville være at dræbe virussen, når den først er bundet. Dette kan også gøres ved at bruge en DNA origami nanoplatform, viser en endnu bedre biostabilitet, at rekonstruere en DNA-stjerneform af aptamerer, " sagde Linhardt. "Det er første gang folk har brugt DNA nanostruktur på denne måde, men teknologien er bred, og vi kan forvente at se det brugt i mange andre applikationer."

Arbejdet er en af ​​mange lovende strategier, der er opstået fra CBIS.

"Denne transformative udvikling kombinerer en ny strategi med ny teknologi til medicinske løsninger, der har unddraget sig mere konventionelle tilgange. Det er præcis den slags forskning, som det tværfaglige miljø på CBIS er designet til at muliggøre, og er et glimrende eksempel på den kaliber af arbejde, vi producerer, " sagde Deepak Vashishth, direktør for CBIS.