Een nieuwe manier om membraan-kruisende poriën te bouwen, met behulp van Lego-achtige DNA-bouwstenen, is ontwikkeld door wetenschappers van de UCL, in samenwerking met collega's van de Universiteit van Cambridge en de Universiteit van Southampton.

De aanpak biedt een eenvoudig en goedkoop hulpmiddel voor synthetische biologie en de techniek heeft potentiële toepassingen in diagnostische apparaten en het ontdekken van geneesmiddelen. Het onderzoek staat in het huidige nummer van het tijdschrift Angewandte Chemie .

Membraanporiën zijn de poorten die het transport van essentiële moleculen regelen door de anders ondoordringbare membranen die cellen in levende organismen omringen. Meestal gemaakt van eiwitten, poriën van verschillende grootte regelen de stroom van ionen en moleculen zowel in als uit de cel als onderdeel van het metabolisme van een organisme.

Ons begrip van membraanporiën komt zowel uit de studie van beide natuurlijke poriën, en van gelijkwaardige structuren die in het laboratorium zijn gebouwd door synthetisch biologen. Maar synthetische eiwitten zijn notoir moeilijk te hanteren vanwege de complexe en vaak onvoorspelbare manieren waarop hun structuren kunnen vouwen. Zelfs een kleine verkeerde vouwing van eiwitten verandert de eigenschappen van een eiwit, wat betekent dat het opbouwen van synthetische poriën uit eiwitten riskant en tijdrovend kan zijn.

Een meer rechttoe rechtaan benadering is de zogenaamde 'rational engineering' met behulp van Lego-achtige DNA-bouwstenen. Hoewel algemeen bekend als de genetische code van het leven, DNA-strengen, die chemisch veel eenvoudiger zijn dan eiwitten, zijn veel gemakkelijker en voorspelbaarder om mee te werken dan eiwitten. Als zodanig zijn ze een nuttig materiaal voor het bouwen van structuren op nanoschaal in het laboratorium.

"DNA is een constructiemateriaal dat zeer eenvoudige regels volgt", zei Dr Stefan Howorka (UCL Chemistry). "Nieuwe nanostructuren kunnen eenvoudig worden ontworpen met behulp van een computerprogramma, en de elementen passen in elkaar als legoblokjes. Dus we kunnen min of meer bouwen wat we willen."

Met behulp van deze aanpak, het team bouwde een kleine buis van slechts 14 nanometer lang en 5,5 nanometer breed (ongeveer 10, 000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar). Dit vormde het grootste deel van hun kunstmatige nanoporie. Echter, om de buis in een celmembraan te steken, een belangrijke uitdaging moest worden aangepakt:de in water oplosbare, op DNA gebaseerde structuur zal zich niet insluiten in het vettige membraan dat uit lipiden bestaat.

Om dit te overwinnen, de wetenschappers bevestigden chemisch twee grote ankers aan de DNA-buis, gemaakt van moleculen die een natuurlijke affiniteit hebben voor lipiden. Deze structuren waren vervolgens in staat om de buis in het membraan in te bedden. Deze structuren, die zijn gebaseerd op natuurlijk verkregen porfyrines, zijn ontworpen door een groep onder leiding van Dr. Eugen Stulz (Universiteit van Southampton).

"Porfyrinemoleculen hebben ideale eigenschappen voor onze doeleinden, " legt Stulz uit. "Ze zijn een sterk membraananker, die de nanoporie stevig in het lipidemembraan vergrendelt. In aanvulling, ze zijn fluorescerend, wat betekent dat ze gemakkelijk te zien en te bestuderen zijn. Dit maakt ze superieur aan andere technologieën."

De poriën werden gekarakteriseerd met elektrische en fluorescentiemetingen in samenwerking met Dr. Ulrich Keyser (Cavendish Laboratory, Cambridge).

De eenvoud van het zelf samenstellen van een structuur met slechts twee ankers (vorige studies gebruikten 26 of zelfs 72 van dergelijke ankers) stroomlijnt het ontwerp en de synthese van nanoporiën aanzienlijk.

"In de toekomst, dit nieuwe proces stelt ons in staat om DNA-nanoporiën op maat te maken voor een veel breder scala aan toepassingen dan momenteel mogelijk is, ' zegt Keyser.

Het vermogen om synthetische kanalen te creëren door middel van lipidemembranen maakt tal van toepassingen in de levenswetenschappen mogelijk. In eerste instantie, DNA-nanoporiën zijn van groot belang voor biosensing, zoals snelle DNA-analyse.

Maar op maat gemaakte poriën kunnen ook helpen bij de ontwikkeling van nieuwe medicijnen. Prototype medicijnen zijn meestal ontworpen om een ​​biologisch doelwit te beïnvloeden, maar zijn niet ontworpen om het celmembraan te passeren. Zelf-geassembleerde poriën zorgen voor een route voor medicijnen om in cellen te komen, waardoor een veel snellere preklinische screening op activiteit mogelijk is.