DNA heeft een belangrijke taak:het vertelt je cellen welke eiwitten ze moeten maken. Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam van de Universiteit van Delaware heeft technologie ontwikkeld om DNA-strengen te programmeren in schakelaars die eiwitten aan- en uitzetten.

UD's Wilfred Chen Group beschrijft hun resultaten in een paper dat maandag is gepubliceerd, 12 maart in het journaal Natuurchemie . Deze technologie zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe kankertherapieën en andere medicijnen.

Computeren met DNA

Dit project maakt gebruik van een opkomend veld dat bekend staat als DNA-computing. Gegevens die we in het dagelijks leven vaak verzenden en ontvangen, zoals tekstberichten en foto's, binaire code gebruiken, die twee componenten heeft:enen en nullen. DNA is in wezen een code met vier componenten, de nucleotiden guanine, adenine, cytosine, en thymine. In cellen, de rangschikking van deze vier nucleotiden bepaalt de output - de eiwitten die door het DNA worden gemaakt. Hier, wetenschappers hebben de DNA-code hergebruikt om logic-gated DNA-circuits te ontwerpen.

"Toen we het systeem eenmaal hadden ontworpen, we moesten eerst naar het lab en deze DNA-strengen hechten aan verschillende eiwitten die we wilden kunnen controleren, " zei studie auteur Rebecca P. Chen, een doctoraatsstudent in chemische en biomoleculaire engineering (geen relatie met Wilfred Chen). De op maat gemaakte DNA-strengen werden besteld bij een fabrikant, terwijl de eiwitten in het laboratorium werden gemaakt en gezuiverd. Volgende, het eiwit werd aan het DNA gehecht om eiwit-DNA-conjugaten te maken.

De groep testte vervolgens de DNA-circuits op E. coli-bacteriën en menselijke cellen. De doeleiwitten georganiseerd, geassembleerd, en gedemonteerd in overeenstemming met hun ontwerp.

"Eerder werk heeft aangetoond hoe krachtig DNA-nanotechnologie mogelijk kan zijn, en we weten hoe krachtig eiwitten in cellen zijn, "zei Rebecca P. Chen. "We zijn erin geslaagd om die twee met elkaar te verbinden."

Toepassingen op medicijnafgifte

Het team toonde ook aan dat hun DNA-logic-apparaten een niet-toxische prodrug voor kanker kunnen activeren, 5-fluorcytosine, in zijn giftige chemotherapeutische vorm, 5-fluorouracil. Kanker-prodrugs zijn inactief totdat ze zijn gemetaboliseerd tot hun therapeutische vorm. In dit geval, de wetenschappers ontwierpen DNA-circuits die de activiteit regelden van een eiwit dat verantwoordelijk was voor de omzetting van de prodrug in zijn actieve vorm. Het DNA-circuit en de eiwitactiviteit werden "aan" gezet door specifieke RNA/DNA-sequentie-invoer, terwijl bij het ontbreken van genoemde ingangen het systeem "uit" bleef.

Om dit te doen, de wetenschappers baseerden hun sequentie-invoer op microRNA, kleine RNA-moleculen die cellulaire genexpressie reguleren. MicroRNA in kankercellen bevat afwijkingen die niet zouden worden gevonden in gezonde cellen. Bijvoorbeeld, bepaalde microRNA's zijn aanwezig in kankercellen, maar afwezig in gezonde cellen. De groep berekende hoe nucleotiden moeten worden gerangschikt om de kankerprodrug te activeren in de aanwezigheid van kanker-microRNA, maar blijf inactief en niet-toxisch in een niet-kankerachtige omgeving waar het microRNA ontbreekt. Toen de kanker-microRNA's aanwezig waren en in staat waren om het DNA-circuit aan te zetten, cellen konden niet groeien. Toen het circuit werd uitgeschakeld, cellen groeiden normaal.

Deze technologie zou brede toepassingen kunnen hebben, niet alleen voor andere ziekten dan kanker, maar ook buiten het biomedische veld. Bijvoorbeeld, het onderzoeksteam heeft aangetoond dat hun technologie kan worden toegepast bij de productie van biobrandstoffen, door hun technologie te gebruiken om een ​​enzymatische cascade te leiden, een reeks chemische reacties, om een ​​plantaardige vezel af te breken.

Met behulp van de nieuw ontwikkelde technologie, onderzoekers kunnen zich richten op elke DNA-sequentie van hun keuze en elk eiwit dat ze willen hechten en controleren. op een dag, onderzoekers konden geprogrammeerd DNA "plug-and-play" in een verscheidenheid aan cellen om een ​​verscheidenheid aan ziekten aan te pakken, zei studie auteur Wilfred Chen, Gore hoogleraar chemische technologie.

"Dit is gebaseerd op een heel eenvoudig concept, een logische combinatie, maar wij zijn de eersten die het laten werken, "zei hij. "Het kan een breed scala aan problemen aanpakken, en dat maakt het heel intrigerend."