Een kunstmatig systeem dat gebruik maakt van een DNA-geregen hydrogel kan een chemisch signaal ontvangen en het juiste eiwit afgeven, volgens onderzoekers van Penn State. Verdere stimulatie door het chemische signaal blijft een reactie uitlokken.

Een hydrogel is een netwerk van polymeerketens die water aantrekken en waarmee biologisch weefsel kan worden gesimuleerd.

Veel systemen in cellen en in het menselijk lichaam zijn opgezet met een signaal- en reactiepad. Een van de bekendste is die van glucose, een kleine suiker die de afgifte van insuline veroorzaakt.

We hebben dit pas onlangs gedaan in een petrischaal, " zei Yong Wang, hoogleraar biomedische technologie. "We hebben tests gedaan met gladde spiercellen, maar we zouden dit natuurlijk graag bij een levend dier doen."

De onderzoekers rapporteren in het novembernummer van Chemische Wetenschappen , "Met een rationeel ontwerp, dit biomimetische hydrogelsysteem zou een algemeen platform vormen voor het regelen van de output van signaaleiwitten voor veelzijdige potentiële toepassingen zoals medicijnafgifte, cel regulatie, moleculaire detectie en regeneratieve geneeskunde."

de hydrogel, gemaakt van polyethyleenglycol, is doordrenkt met twee verschillende soorten DNA. Een daarvan is een aptamer - een korte DNA-streng die hecht aan de chemische stof die de onderzoekers in de cel willen vrijgeven. In het geval van glucose en insuline, de aptamer zou met insuline het 'medicijn' binden dat de onderzoekers willen vrijgeven. Het andere type is een dubbelstrengs spiraalvormig DNA-molecuul dat is gekozen om te reageren met het metabolietsignaal - glucose - en de chemische afgifte te initiëren.

Wanneer het signaalmolecuul een dubbele DNA-streng bereikt, het DNA splitst zich in twee strengen. De ene streng bindt zich aan het molecuul en de andere beweegt naar het aptameer en dwingt het om het eraan gebonden eiwit vrij te geven. Het eiwit kan dan door de cellen naar zijn normale bindingsplaats bewegen en zijn normale acties uitvoeren.

"Dit was geen eenvoudig proces om te creëren, " zei Wang. "Een afgestudeerde student heeft er drie jaar aan gewerkt voordat hij het opgaf. In totaal, het duurde vier tot vijf jaar om zo ver te komen.' De onderzoekers gebruikten adenosine als de signaalstof en van bloedplaatjes afgeleide groeifactor als het vrij te geven signaaleiwit. Het systeem kan de sequentie herhalen, het vrijgeven van signaaleiwitten totdat er niet meer vrij te geven zijn.

"We weten nog niet hoe we de eiwitten gemakkelijk kunnen aanvullen, " zei Wang.

De onderzoekers testten het adenosine-PDGF-BB-hydrogelsysteem en ontdekten dat zonder een chemische signaalstof, de hoeveelheid signaaleiwit die door de hydrogel werd afgegeven was erg klein. Toen de signaalstof adenosine werd toegepast, de hydrogel maakte ongeveer 28 procent van het doelsignaaleiwit vrij - PDGF-BB. Andere chemicaliën vergelijkbaar met adenosine, zoals guanosine en uridine veroorzaakten niet de afgifte van PDGF-BB uit de hydrogel.

"Uiteindelijk willen we dit systeem gebruiken voor gecontroleerde medicijnafgifte en andere biologische acties, " zei Wang.