Een nieuw synthetisch enzym, gemaakt van DNA in plaats van eiwit, flips lipide moleculen in het celmembraan, het triggeren van een signaalroute die kan worden gebruikt om celdood in kankercellen te induceren.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en de Universiteit van Cambridge zeggen dat hun lipide-scrambling DNA-enzym het eerste in zijn klasse is dat beter presteert dan natuurlijk voorkomende enzymen - en doet dit met drie ordes van grootte. Ze publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Celmembranen zijn aan de binnen- en buitenkant bekleed met een andere set moleculen, en cellen besteden veel middelen om dit in stand te houden, " zei studieleider Aleksei Aksimentiev, een professor in de natuurkunde in Illinois. "Maar op sommige momenten in het leven van een cel, de asymmetrie moet worden opgeheven. Dan worden de markeringen die binnen waren buiten, die signalen verzendt voor bepaalde processen, zoals celdood. Er zijn enzymen in de natuur die dat doen, scramblases genoemd. Echter, bij sommige ziekten waarbij scramblases onvoldoende zijn, dit gebeurt niet correct. Onze synthetische scramblase zou een weg kunnen zijn voor therapieën."

De groep van Aksimentiev ontdekte de scramblase-activiteit van DNA toen ze keken naar DNA-structuren die poriën en kanalen in celmembranen vormen. Ze gebruikten de Blue Waters-supercomputer van het National Center for Supercomputing Applications in Illinois om de systemen op atomair niveau te modelleren. Ze zagen dat wanneer bepaalde DNA-structuren in het membraan worden geplaatst – in dit geval een bundel van acht strengen DNA met cholesterol aan de uiteinden van twee van de strengen - lipiden in het membraan rond het DNA beginnen te schuifelen tussen de binnenste en buitenste membraanlagen.

Om de door de computermodellen voorspelde scramblase-activiteit te verifiëren, De groep van Aksimentiev in Illinois werkte samen met de groep van professor Ulrich Keyser in Cambridge. De Cambridge-groep synthetiseerde het DNA-enzym en testte het in modelmembraanbellen, blaasjes genoemd, en vervolgens in menselijke borstkankercellen.

"De resultaten laten zeer overtuigend zien dat onze DNA-nanostructuur inderdaad snelle lipidenverwisseling mogelijk maakt, " zei Alexander Ohmann, een afgestudeerde student aan Cambridge en een co-eerste auteur van het artikel samen met de afgestudeerde student Chen-Yu Li uit Illinois. "Het meest interessante, de hoge flipping-snelheid die wordt aangegeven door de moleculaire dynamica-simulaties lijkt in experimenten van dezelfde orde van grootte te zijn:tot duizend keer sneller dan wat eerder is aangetoond voor natuurlijke scramblases."

Op zichzelf, de DNA-scramblase produceert zonder onderscheid celdood, zei Aksimentiev. De volgende stap is om het te koppelen aan targetingsystemen die specifiek bepaalde celtypes zoeken, waarvan een aantal al zijn ontwikkeld voor andere DNA-agentia.

"We werken er ook aan om deze scramblase-structuren te activeren door licht of een andere stimulus, zodat ze alleen op aanvraag kunnen worden geactiveerd en kunnen worden uitgeschakeld, ' zei Aksimentiev.

"Hoewel we nog een lange weg te gaan hebben, dit werk benadrukt het enorme potentieel van synthetische DNA-nanostructuren met mogelijke toepassingen voor gepersonaliseerde medicijnen en therapieën voor een verscheidenheid aan gezondheidsproblemen in de toekomst, ' zei Ohmann.