Verdens mindste VVS-installationer kunne en dag sende medicin til individuelle menneskelige celler

Ved at arbejde på mikroskopiske rør, der kun er en milliontedel så brede som et enkelt hårstrå, har forskere fra Johns Hopkins University udviklet en måde at sikre, at disse mindste rør er sikre mod de mindste lækager.

Lækagefri rør, lavet med nanorør, der samler sig selv, reparerer sig selv og kan forbinde sig selv til forskellige biostrukturer, er et væsentligt skridt i retning af at skabe et nanorør-netværk, der en dag kan levere specialiserede lægemidler, proteiner og molekyler til målrettede celler i den menneskelige krop. De meget præcise målinger er beskrevet i dag i Science Advances .

"Denne undersøgelse antyder meget stærkt, at det er muligt at bygge nanorør, der ikke lækker ved hjælp af disse nemme teknikker til selvsamling, hvor vi blander molekyler i en opløsning og bare lader dem danne den struktur, vi ønsker," sagde Rebecca Schulman, en associeret partner. professor i kemi- og biomolekylær teknik, der var med til at lede forskningen. "I vores tilfælde kan vi også fastgøre disse rør til forskellige endepunkter for at danne noget som VVS."

Holdet arbejdede med rør, der var omkring syv nanometer i diameter - omkring to millioner gange mindre end en myre - og flere mikrometer lange eller omtrent på længden af ​​en støvpartikel.

Metoden bygger på en etableret teknik, der genbruger stykker af DNA som byggesten til at vokse og reparere rørene, samtidig med at de sætter dem i stand til at opsøge og forbinde til specifikke strukturer.

Tidligere undersøgelser har designet lignende strukturer for at lave kortere strukturer kaldet nanoporer. Disse designs fokuserer på DNA-nanoporernes evne til at kontrollere transporten af ​​molekyler gennem laboratoriedyrkede lipidmembraner, der efterligner en celles membran.

Men hvis nanorør er som rør, er nanoporer som korte rørfittings, der alene ikke kan nå andre rør, tanke eller udstyr. Schulmans team har specialiseret sig i bio-inspireret nanoteknologi for at løse denne slags problemer.

"At bygge et langt rør fra en pore kunne tillade molekyler ikke kun at krydse poren i en membran, der holdt molekylerne inde i et kammer eller en celle, men også at dirigere, hvor disse molekyler går efter at have forladt cellen," sagde Schulman. "Vi var i stand til at bygge rør, der strækker sig fra porerne meget længere end dem, der var blevet bygget før, og som kunne bringe transporten af ​​molekyler langs nanorør-'motorveje' tæt på virkeligheden."

Nanorørene dannes ved hjælp af DNA-strenge, der er vævet mellem forskellige dobbeltspiraler. Deres strukturer har små huller som kinesiske fingerfælder. På grund af de ekstremt små dimensioner havde forskerne ikke været i stand til at teste, om rørene kunne transportere molekyler over længere afstande uden at lække, eller om molekyler kunne glide gennem deres vægspalter.

Yi Li, en doktorgraduat fra Johns Hopkins' kemiske og biomolekylære ingeniørafdeling, der var med til at lede undersøgelsen, udførte nano-ækvivalenten med at lukke enden af ​​et rør og tænde for en vandhane for at sikre, at der ikke lækker vand ud. Yi lukkede enderne af rørene med specielle DNA-"propper" og kørte en opløsning af fluorescerende molekyler gennem dem for at spore lækager og tilstrømningshastigheder.

Ved præcist at måle formen af ​​rørene, hvordan deres biomolekyler forbindes til specifikke nanoporer, og hvor hurtigt den fluorescerende opløsning flød, demonstrerede holdet, hvordan rørene flyttede molekyler ind i små, laboratoriedyrkede sække, der ligner en celles membran. De glødende molekyler gled igennem som vand ned ad en sliske.

"Nu kan vi kalde dette mere et VVS-system, fordi vi styrer strømmen af ​​visse materialer eller molekyler over meget længere afstande ved hjælp af disse kanaler," sagde Li. "Vi er i stand til at kontrollere, hvornår vi skal stoppe denne strøm ved hjælp af en anden DNA-struktur, der meget specifikt binder til disse kanaler for at stoppe denne transport, og fungerer som en ventil eller en prop."

DNA-nanorør kunne hjælpe forskere med at få en bedre forståelse af, hvordan neuroner interagerer med hinanden. Forskere kunne også bruge dem til at studere sygdomme som kræft og funktionerne i kroppens mere end 200 celletyper.

Dernæst vil holdet udføre yderligere undersøgelser med syntetiske og rigtige celler såvel som med forskellige typer molekyler.

Forfatterne omfattede Johns Hopkins professor i fysik og astronomi Brice Ménard og Himanshu Joshi og Aleksei Aksimentiev fra University of Illinois Urbana-Champaign. + Udforsk yderligere

Små rør kommer i store pakker