Sensoren gemaakt van aangepaste DNA-moleculen kunnen worden gebruikt om kankerbehandelingen te personaliseren en de kwaliteit van stamcellen te bewaken, volgens een internationaal team van onderzoekers onder leiding van wetenschappers van UC Santa Barbara en de Universiteit van Rome Tor Vergata.

De nieuwe nanosensoren kunnen snel een brede klasse van eiwitten detecteren die transcriptiefactoren worden genoemd. die dienen als de hoofdschakelaars van het leven. Het onderzoek wordt beschreven in een artikel gepubliceerd in Tijdschrift van de American Chemical Society .

"Het lot van onze cellen wordt bepaald door duizenden verschillende eiwitten, transcriptiefactoren genoemd, " zei Alexis Vallée-Bélisle, een postdoctoraal onderzoeker in de afdeling Scheikunde en Biochemie van de UCSB, die de studie leidde. "De rol van deze eiwitten is om het genoom te lezen en het te vertalen in instructies voor de synthese van de verschillende moleculen die de cel samenstellen en controleren. Transcriptiefactoren werken een beetje als de 'instellingen' van onze cellen, net als de instellingen op onze telefoons of computers. Wat onze sensoren doen, is die instellingen lezen."

Wanneer wetenschappers stamcellen nemen en ze in gespecialiseerde cellen veranderen, ze doen dit door de niveaus van een paar transcriptiefactoren te veranderen, hij legde uit. Dit proces wordt celherprogrammering genoemd. "Onze sensoren monitoren transcriptiefactoractiviteiten, en kan worden gebruikt om ervoor te zorgen dat stamcellen correct zijn geherprogrammeerd, " zei Vallée-Bélisle. "Ze kunnen ook worden gebruikt om te bepalen welke transcriptiefactoren worden geactiveerd of onderdrukt in de kankercellen van een patiënt, waardoor artsen voor elke patiënt de juiste combinatie van medicijnen kunnen gebruiken."

Andreas Bonham, een postdoctoraal wetenschapper bij UCSB en co-eerste auteur van de studie, legde uit dat veel laboratoria manieren hebben uitgevonden om transcriptiefactoren te lezen; echter, de aanpak van dit team is erg snel en handig. "In de meeste laboratoria onderzoekers besteden uren aan het extraheren van de eiwitten uit cellen voordat ze worden geanalyseerd, " zei Bonham. "Met de nieuwe sensoren, we pureren gewoon de cellen, zet de sensoren erin, en meet het niveau van fluorescentie van het monster."

Deze internationale onderzoeksinspanning –– georganiseerd door senior auteurs Kevin Plaxco, professor in de afdeling Scheikunde en Biochemie van de UCSB, en Francesco Ricci, hoogleraar aan de Universiteit van Rome, Tor Vergata –– begon toen Ricci zich realiseerde dat alle informatie die nodig is om transcriptiefactoractiviteiten te detecteren al versleuteld is in het menselijk genoom, en kan worden gebruikt om sensoren te bouwen. "Bij activering, deze duizenden verschillende transcriptiefactoren binden aan hun eigen specifieke doel-DNA-sequentie, "zei Ricci. "We gebruiken deze sequenties als uitgangspunt om onze nieuwe nanosensoren te bouwen."

De belangrijkste doorbraak die aan deze nieuwe technologie ten grondslag ligt, kwam van studies van de natuurlijke biosensoren in cellen. "Alle wezens, van bacteriën tot mensen, hun omgeving in de gaten houden met behulp van 'biomoleculaire schakelaars' –– vormveranderende moleculen gemaakt van RNA of eiwitten, " zei Plaxco. "Bijvoorbeeld, in onze sinussen, er zijn miljoenen receptoreiwitten die verschillende geurmoleculen detecteren door over te schakelen van een 'uit' naar een 'aan'. Het mooie van deze schakelaars is dat ze klein genoeg zijn om in een cel te werken, en specifiek genoeg om te werken in de zeer complexe omgevingen die daar te vinden zijn."

Geïnspireerd door de efficiëntie van deze natuurlijke nanosensoren, de onderzoeksgroep samen met Norbert Reich, ook een professor in UCSB's Department of Chemistry and Biochemistry, om synthetische schakelende nanosensoren te bouwen met behulp van DNA, in plaats van eiwitten of RNA.

specifiek, het team heeft drie natuurlijk voorkomende DNA-sequenties opnieuw ontworpen, die elk een andere transcriptiefactor herkennen, in moleculaire schakelaars die fluorescerend worden wanneer ze zich binden aan hun beoogde doelen. Met behulp van deze sensoren op nanometerschaal, de onderzoekers konden transcriptiefactoractiviteit direct in cellulaire extracten bepalen door eenvoudig hun fluorescentieniveau te meten.

De onderzoekers geloven dat deze strategie uiteindelijk biologen in staat zal stellen om de activering van duizenden transcriptiefactoren te volgen, wat leidt tot een beter begrip van de mechanismen die ten grondslag liggen aan celdeling en ontwikkeling. "Alternatief, aangezien deze nanosensoren direct in biologische monsters werken, we geloven ook dat ze kunnen worden gebruikt om nieuwe medicijnen te screenen en te testen die, bijvoorbeeld, remt transcriptiefactor bindingsactiviteit die verantwoordelijk is voor de groei van tumorcellen, ' zei Plaxco.