Hule nanoobjekter lavet af DNA kan fange vira og gøre dem harmløse

Til dato, der er ingen effektive modgifte mod de fleste virusinfektioner. Et tværfagligt forskerhold ved det tekniske universitet i München (TUM) har nu udviklet en ny tilgang:de opsluger og neutraliserer vira med nanokapsler, der er skræddersyet af genetisk materiale ved hjælp af DNA-origami-metoden. Strategien er allerede blevet testet mod hepatitis og adeno-associerede vira i cellekulturer. Det kan også vise sig at være vellykket mod corona-virus.

Der findes antibiotika mod farlige bakterier, men få modgift til behandling af akutte virusinfektioner. Nogle infektioner kan forebygges ved vaccination, men at udvikle nye vacciner er en lang og besværlig proces.

Nu et tværfagligt forskerhold fra det tekniske universitet i München, Helmholtz Zentrum München og Brandeis University (USA) foreslår en ny strategi til behandling af akutte virusinfektioner:Holdet har udviklet nanostrukturer lavet af DNA, det stof, der udgør vores genetiske materiale, der kan fange vira og gøre dem uskadelige.

DNA nanostrukturer

Allerede før den nye variant af corona-virussen satte verden i bero, Hendrik Dietz, Professor i biomolekylær nanoteknologi ved fysikafdelingen på Münchens Tekniske Universitet, og hans team arbejdede på konstruktionen af ​​objekter i virusstørrelse, der samler sig selv.

I 1962, biologen Donald Caspar og biofysikeren Aaron Klug opdagede de geometriske principper, som proteinkapperne af vira er bygget efter. Baseret på disse geometriske specifikationer, holdet omkring Hendrik Dietz ved det tekniske universitet i München, støttet af Seth Fraden og Michael Hagan fra Brandeis University i USA, udviklet et koncept, der gjorde det muligt at fremstille kunstige hule kroppe på størrelse med en virus.

I sommeren 2019, holdet spurgte, om sådanne hule kroppe også kunne bruges som en slags 'virusfælde'. Hvis de skulle være foret med virusbindende molekyler på indersiden, de skulle være i stand til at binde vira tæt og dermed kunne tage dem ud af cirkulation. For det, imidlertid, de hule kroppe skulle også have tilstrækkeligt store åbninger, hvorigennem vira kan trænge ind i skallerne.

"Ingen af ​​de objekter, vi havde bygget ved hjælp af DNA-origami-teknologi på det tidspunkt, ville have været i stand til at opsluge en hel virus - de var simpelthen for små, " siger Hendrik Dietz i tilbageblik. "At bygge stabile hule kroppe af denne størrelse var en kæmpe udfordring."

Sættet til en virusfælde

Startende fra den grundlæggende geometriske form af icosahedron, en genstand bestående af 20 trekantede overflader, holdet besluttede at bygge de hule kroppe til virusfælden fra tredimensionelle, trekantede plader.

For at DNA-pladerne kan samles til større geometriske strukturer, kanterne skal være let affasede. Korrekt valg og placering af bindepunkter på kanterne sikrer, at panelerne selv samler sig til de ønskede objekter.

"På denne måde vi kan nu programmere formen og størrelsen af ​​de ønskede objekter ved at bruge den nøjagtige form af de trekantede plader, " siger Hendrik Dietz. "Vi kan nu producere objekter med op til 180 underenheder og opnå udbytter på op til 95 procent. Ruten dertil var, imidlertid, ret stenet, med mange gentagelser."

Virus blokeres pålideligt

Ved at variere bindingspunkterne på kanterne af trekanter, holdets videnskabsmænd kan ikke kun skabe lukkede hule kugler, men også kugler med åbninger eller halvskaller. Disse kan så bruges som virusfælder.

I samarbejde med teamet af prof. Ulrike Protzer, leder af Institut for Virologi ved TUM og direktør for Institut for Virologi ved Helmholtz Zentrum München, holdet testede virusfælderne på adeno-associerede vira og hepatitis B-viruskerner.

"Selv en simpel halvskal af den rigtige størrelse viser en målbar reduktion i virusaktivitet, " siger Hendrik Dietz. "Hvis vi sætter fem bindingssteder for virussen på indersiden, for eksempel egnede antistoffer, vi kan allerede blokere virussen med 80 procent, hvis vi inkorporerer flere, vi opnår fuldstændig blokering."

For at forhindre, at DNA-partiklerne straks nedbrydes i kropsvæsker, holdet bestrålede de færdige byggesten med UV-lys og behandlede ydersiden med polyethylenglycol og oligolysin. Partiklerne var således stabile i museserum i 24 timer.

Et universelt konstruktionsprincip

Nu er næste skridt at teste byggestenene på levende mus. "Vi er meget sikre på, at dette materiale også vil blive godt tolereret af den menneskelige krop, " siger Dietz.

"Bakterier har et stofskifte. Vi kan angribe dem på forskellige måder, " siger prof. Ulrike Protzer. "Virus, på den anden side, ikke har deres eget stofskifte, hvilket er grunden til, at antivirale lægemidler næsten altid er målrettet mod et specifikt enzym i en enkelt virus. En sådan udvikling tager tid. Hvis ideen om blot mekanisk at eliminere vira kan realiseres, dette ville være bredt anvendeligt og dermed et vigtigt gennembrud, især for nyligt opståede vira.

Udgangsmaterialerne til virusfælderne kan masseproduceres bioteknologisk til en rimelig pris. "Ud over den foreslåede anvendelse som en virusfælde, vores programmerbare system skaber også andre muligheder, " siger Hendrik Dietz. "Det kunne også tænkes at bruge det som en multivalent antigenbærer til vaccinationer, som en DNA- eller RNA-bærer til genterapi eller som et transportmiddel for lægemidler."