Onderzoekers van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan de Harvard University hebben een robotapparaat ontwikkeld dat is gemaakt van DNA dat mogelijk specifieke celdoelen kan opsporen in een complexe mix van celtypen en belangrijke moleculaire instructies kan geven. zoals kankercellen vertellen om zichzelf te vernietigen. Geïnspireerd door de mechanica van het eigen immuunsysteem van het lichaam, de technologie zou ooit kunnen worden gebruikt om immuunreacties te programmeren om verschillende ziekten te behandelen. De onderzoeksresultaten verschijnen vandaag in Wetenschap .

Met behulp van de DNA-origami-methode, waarin complexe driedimensionale vormen en objecten worden geconstrueerd door DNA-strengen te vouwen, Shawn Douglas, doctoraat, een Wyss Technology Development Fellow, en Ido Bachelet, doctoraat, een voormalige Wyss Postdoctoral Fellow die nu een assistent-professor is aan de faculteit Life Sciences en het Nano-Center aan de Bar-Ilan University in Israël, creëerde een robot van nanoformaat in de vorm van een open vat waarvan de twee helften zijn verbonden door een scharnier. Het DNA-vat, die fungeert als een container, wordt gesloten gehouden door speciale DNA-vergrendelingen die combinaties van celoppervlakte-eiwitten kunnen herkennen en opzoeken, inclusief ziektemarkers. Als de grendels hun doelwit vinden, ze herconfigureren, waardoor de twee helften van het vat openzwaaien en de inhoud blootleggen, of laadvermogen. De container kan verschillende soorten ladingen bevatten, inclusief specifieke moleculen met gecodeerde instructies die kunnen interageren met specifieke signaalreceptoren op het celoppervlak.

Douglas en Bachelet gebruikten dit systeem om instructies te geven, die werden gecodeerd in antilichaamfragmenten, tot twee verschillende soorten kankercellen:leukemie en lymfoom. In ieder geval, de boodschap aan de cel was om de "zelfmoordschakelaar" te activeren - een standaardfunctie waarmee veroudering of abnormale cellen kunnen worden geëlimineerd. En aangezien leukemie- en lymfoomcellen verschillende talen spreken, de berichten waren geschreven in verschillende antilichaamcombinaties.

Deze programmeerbare nanotherapeutische benadering is gemodelleerd naar het eigen immuunsysteem van het lichaam, waarin witte bloedcellen door de bloedbaan patrouilleren op zoek naar tekenen van problemen. Deze infectiebestrijders zijn in staat om specifieke cellen in nood aan te scherpen, aan hen binden, en begrijpelijke signalen naar hen zenden om zichzelf te vernietigen. De DNA-nanorobot emuleert dit niveau van specificiteit door het gebruik van modulaire componenten waarin verschillende scharnieren en moleculaire berichten in en uit het onderliggende leveringssysteem kunnen worden geschakeld, net zoals verschillende motoren en banden op hetzelfde chassis kunnen worden geplaatst. De programmeerbare kracht van dit type modulariteit betekent dat het systeem het potentieel heeft om op een dag te worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan ziekten te behandelen.

"We kunnen eindelijk detectie- en logische rekenfuncties integreren via complexe, maar voorspelbaar, nanostructuren - enkele van de eerste hybriden van structureel DNA, antilichamen, aptameren en metalen atomaire clusters - gericht op nuttige, zeer specifieke targeting van menselijke kankers en T-cellen, " zei George Kerk, doctoraat, een kernfaculteitslid van Wyss en hoogleraar genetica aan de Harvard Medical School, wie is hoofdonderzoeker van het project.

Omdat DNA een natuurlijk biocompatibel en biologisch afbreekbaar materiaal is, DNA-nanotechnologie wordt algemeen erkend vanwege zijn potentieel als afgiftemechanisme voor medicijnen en moleculaire signalen. Maar er waren aanzienlijke uitdagingen bij de uitvoering ervan, zoals welk type structuur moet worden gemaakt; hoe te openen, dichtbij, en heropen die structuur om in te voegen, vervoer, en een nuttige lading afleveren; en hoe dit type robot op nanoschaal te programmeren.

Door voor het eerst verschillende nieuwe elementen te combineren, het nieuwe systeem betekent een aanzienlijke vooruitgang bij het overwinnen van deze implementatieobstakels. Bijvoorbeeld, omdat de tonvormige structuur geen boven- of onderdeksels heeft, de ladingen kunnen in één stap vanaf de zijkant worden geladen, zonder eerst de constructie te hoeven openen en vervolgens weer te sluiten. Ook, terwijl andere systemen afgiftemechanismen gebruiken die reageren op DNA of RNA, het nieuwe mechanisme dat hier wordt gebruikt, reageert op eiwitten, die vaker worden aangetroffen op celoppervlakken en grotendeels verantwoordelijk zijn voor transmembraansignalering in cellen. Eindelijk, dit is het eerste op DNA-origami gebaseerde systeem dat antilichaamfragmenten gebruikt om moleculaire boodschappen over te brengen - een functie die een gecontroleerde en programmeerbare manier biedt om een ​​immuunrespons te repliceren of nieuwe soorten gerichte therapieën te ontwikkelen.

"Dit werk vertegenwoordigt een grote doorbraak op het gebied van nanobiotechnologie, omdat het aantoont dat het in staat is om gebruik te maken van recente ontwikkelingen op het gebied van DNA-origami die door onderzoekers over de hele wereld zijn ontwikkeld, inclusief William Shih, de eigen William Shih van het Wyss Institute, om een ​​echte uitdaging aan te gaan, namelijk het doden van kankercellen met een hoge specificiteit, " zei de oprichter van het Wyss Institute, Donald Ingber, MD, doctoraat Ingber is ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology aan de Harvard Medical School en het Vascular Biology Program aan het Children's Hospital Boston, en hoogleraar bio-engineering aan de Harvard School of Engineering and Applied Sciences. "Deze focus op het vertalen van technologieën uit het laboratorium naar transformatieve producten en therapieën is waar het bij het Wyss Institute om draait."