Opbygning af en DNA-nanopartikel til at være både bærer og medicin

Forskere har lavet nanopartikler ud af DNA-strenge i to årtier og manipuleret de bindinger, der opretholder DNA's dobbeltspiralformede form, for at forme selvsamlende strukturer, der en dag kan have forbløffende medicinske anvendelser.

Undersøgelsen af ​​DNA-nanopartikler har imidlertid fokuseret mest på deres arkitektur, der gør livets genetiske kode til komponenter til fremstilling af små robotter. Et par Iowa State University-forskere i afdelingen for genetik, udvikling og cellebiologi - professor Eric Henderson og nyligt ph.d.-graduate Chang-Yong Oh - håber at ændre det ved at vise nanoskalamaterialer lavet af DNA kan formidle deres indbyggede genetiske instruktioner.

"Indtil videre har de fleste mennesker udforsket DNA-nanopartikler fra et ingeniørmæssigt perspektiv. Der er kun blevet lagt lidt opmærksomhed på informationen i disse DNA-strenge," sagde Oh.

I en nylig artikel offentliggjort i tidsskriftet Scientific Reports , Henderson og Oh beskrev, hvordan de konstruerede DNA-nanopartikler, der var i stand til at udtrykke genetisk kode. At have genbærende kapacitet øger potentialet for DNA-nanoteknologi.

"Disse strukturer kunne være både bæreren og medicinen," sagde Henderson.

Henderson og Oh sagde, at de er blandt de første forskerhold i verden til at skabe en DNA-nanopartikel, der udtrykker dens genetiske kode. Iowa State University Research Foundation indgav en patentansøgning i forbindelse med forskningen i 2023.

Succesfulde strukturer

Henderson kom til Iowa State i 1987, men i 14 år delte han sin tid, da han byggede en startup kaldet BioForce Nanosciences. Efter at have vendt tilbage til Iowa State på fuld tid i 2008, begyndte han at arbejde på DNA-origami – en nyudviklet metode til at skabe selvsamlende komplekse nanostrukturer ud fra lange enkeltstrenge af DNA.

Henderson og en tidligere kandidatstuderende - Divita Mathur, nu assisterende professor ved Case Western University - designede en nanomaskine biosensor, der kunne detektere patogener.

Det arbejde efterlod en dvælende tanke:Hvad med de gener, disse strukturer bærer? Kunne DNA-origami udtrykke den genetiske information integreret i sig selv?

Det første trin var at finde ud af, hvordan man skaber DNA-origami med enkeltstrenge, der har specifikke genetiske sekvenser, i modsætning til de strenge, der traditionelt bruges til at skabe nanopartikler.

Det tog et par år. Det næste var at bestemme, om RNA-polymerase, et enzym til fremstilling af RNA-molekyler fra DNA-koder, kunne navigere i de omfattende folder af DNA-origami, sagde Henderson. En særlig bekymring var, om polymerase ville blive blokeret af crossovers, de krydsninger, hvor lange DNA-strenge er forbundet med korte stykker DNA kaldet hæfteklammer.

"Det viser sig, at de ikke er det, hvilket er kontraintuitivt," sagde Henderson.

Mens crossovers og kompleks arkitektur ikke stopper den RNA-dannende transkriptionsproces, påvirker designet af en DNA-nanostruktur transskriptionseffektiviteten. Tætte strukturer producerer mindre RNA, hvilket indebærer, at nanopartikeldesign kunne finjusteres for at hæmme eller fremme tilsigtede funktioner, sagde Oh.

"Vi kunne lave et effektivt, målrettet leveringssystem, der har potentiale på mange områder, herunder kræftbehandling," sagde han.

Prisbillig og holdbar

Potentialet for præcision er en del af det, der gør DNA-nanopartikler til en spændende mulighed, sagde Henderson.

"Genredigering er utrolig kraftfuld, men en af ​​de sværeste dele af redigering af gener er kun at redigere de gener, du ønsker at redigere. Så det er drømmen, at finessere disse nanopartikler til at målrette bestemte celler og væv," sagde han.

DNA-nanopartikler har dog andre store fordele. De er nemme at lave, billige og holdbare. At få nanopartikler til at samle sig selv er lige så simpelt som at opvarme en blanding og lade den køle af, uden noget særligt udstyr nødvendigt, sagde Oh.

Til dels takket være den allestedsnærværende af DNA-forskning er tråde og hæfteklammer billige at fremstille. På trods af at de bruger dem dagligt, arbejder Henderson og Oh stadig gennem en pakke med hæfteklammer købt hos en Coralville-producent for flere år siden for et par hundrede dollars.

Og komponenterne, som kan opbevares som et pulver, har en lang holdbarhed, selv under de mest udfordrende forhold, sagde Henderson. Det er en teknologi, der nemt kan spredes.

"DNA er meget stabilt. Det er blevet fundet fra prøver, der er mere end 1 million år gamle," sagde han.

Flere oplysninger: Chang Yong Oh et al, In vitro-transskription af selvsamlende DNA-nanopartikler, Videnskabelige rapporter (2023). DOI:10.1038/s41598-023-39777-0

Leveret af Iowa State University