De mogelijkheid om biologische materialen zoals eiwitten en DNA op maat te ontwerpen, opent technologische mogelijkheden die enkele decennia geleden ondenkbaar waren. Bijvoorbeeld, synthetische structuren gemaakt van DNA zouden ooit kunnen worden gebruikt om kankermedicijnen rechtstreeks aan tumorcellen te leveren, en aangepaste eiwitten kunnen worden ontworpen om specifiek een bepaald soort virus aan te vallen. Hoewel onderzoekers al dergelijke structuren hebben gemaakt van alleen DNA of eiwit, een Caltech-team heeft onlangs - voor de eerste keer - een synthetische structuur gemaakt die is gemaakt van zowel eiwit als DNA. Het combineren van de twee soorten moleculen in één biomateriaal opent de deur naar tal van toepassingen.

Een paper waarin de zogenaamde gehybridiseerde, of meerdere componenten, materiaal verschijnt in het nummer van 2 september van het tijdschrift Natuur .

Er zijn veel voordelen aan materialen met meerdere componenten, zegt Yun (Kurt) Mou (PhD '15), eerste auteur van de Natuur studie. "Als je materiaal uit verschillende soorten componenten bestaat, het kan meer functionaliteit hebben. Bijvoorbeeld, eiwit is zeer veelzijdig; het kan voor veel dingen worden gebruikt, zoals eiwit-eiwit interacties of als een enzym om een ​​reactie te versnellen. En DNA is gemakkelijk te programmeren in nanostructuren van verschillende groottes en vormen."

Maar hoe begin je met het maken van zoiets als een eiwit-DNA-nanodraad - een materiaal dat nog niemand eerder heeft gezien?

Mou en zijn collega's in het laboratorium van Stephen Mayo, Bren hoogleraar biologie en scheikunde en de William K. Bowes Jr. Leadership Chair van Caltech's Division of Biology and Biological Engineering, begon met een computerprogramma om het type eiwit en DNA te ontwerpen dat het beste zou werken als onderdeel van hun hybride materiaal. "Materialen kunnen worden gevormd met behulp van een trial-and-error-methode om dingen te combineren om te zien welke resultaten, maar het is beter en efficiënter als je eerst kunt voorspellen hoe de structuur is en dan een eiwit ontwerpt om dat soort materiaal te vormen, " hij zegt.

De onderzoekers voerden de eigenschappen van de door hen gewenste eiwit-DNA-nanodraad in in een in het laboratorium ontwikkeld computerprogramma; het programma genereerde vervolgens een reeks aminozuren (eiwitbouwstenen) en stikstofbasen (DNA-bouwstenen) die het gewenste materiaal zouden produceren.

Echter, het succesvol maken van een hybride materiaal is niet zo eenvoudig als het inpluggen van enkele eigenschappen in een computerprogramma, zegt Mou. Hoewel het computermodel een reeks geeft, de onderzoeker moet het model grondig controleren om er zeker van te zijn dat de geproduceerde reeks klopt; als niet, de onderzoeker moet de computer voorzien van informatie die kan worden gebruikt om het model te corrigeren. "Dus uiteindelijk u kiest de volgorde waarover u en de computer het eens zijn. Vervolgens, je kunt de voorgeschreven aminozuren en DNA-basen fysiek mengen om de nanodraad te vormen."

De resulterende sequentie was een kunstmatige versie van een eiwit-DNA-koppeling die in de natuur voorkomt. In de beginfase van genexpressie, transcriptie genoemd, een sequentie van DNA wordt eerst omgezet in RNA. Om het enzym aan te trekken dat het DNA daadwerkelijk in RNA transcribeert, eiwitten die transcriptiefactoren worden genoemd, moeten eerst binden aan bepaalde gebieden van de DNA-sequentie die eiwitbindende domeinen worden genoemd.

Met behulp van het computerprogramma de onderzoekers ontwikkelden een DNA-sequentie die veel van deze eiwitbindende domeinen met regelmatige tussenpozen bevatte. Vervolgens selecteerden ze de transcriptiefactor die van nature bindt aan deze specifieke eiwitbindingsplaats - de transcriptiefactor genaamd Engrailed van de fruitvlieg Drosophila. Echter, in de natuur, Engrailed hecht zich alleen aan de eiwitbindingsplaats op het DNA. Om een ​​lange nanodraad te maken die is gemaakt van een doorlopende eiwitstreng die aan een doorlopende DNA-streng is bevestigd, de onderzoekers moesten de transcriptiefactor wijzigen om een ​​site op te nemen waarmee Engrailed zich ook aan het volgende eiwit in de rij zou kunnen binden.

"Eigenlijk, het is alsof je dit eiwit twee handen geeft in plaats van slechts één, Mou legt uit. "De hand die het DNA vasthoudt, is gemakkelijk omdat het door de natuur wordt geleverd, maar de andere hand moet daar worden toegevoegd om een ​​ander eiwit vast te houden."

Een ander uniek kenmerk van deze nieuwe eiwit-DNA-nanodraad is dat het co-assemblage toepast, wat betekent dat het materiaal zich niet zal vormen totdat zowel de eiwitcomponenten als de DNA-componenten aan de oplossing zijn toegevoegd. Hoewel materialen voorheen gemaakt konden worden van DNA waaraan later eiwit werd toegevoegd, het gebruik van coassembly om het hybride materiaal te maken was een primeur. Dit kenmerk is belangrijk voor toekomstig gebruik van het materiaal in de geneeskunde of de industrie, Mou zegt, omdat de twee sets componenten afzonderlijk kunnen worden geleverd en vervolgens kunnen worden gecombineerd om de nanodraad te maken waar en wanneer deze nodig is.

Deze bevinding bouwt voort op eerder werk in het Mayo-lab, die, in 1997, creëerde een van de eerste kunstmatige eiwitten, waarmee het gebied van computationeel eiwitontwerp wordt gelanceerd. Het vermogen om synthetische eiwitten te maken stelt onderzoekers in staat eiwitten te ontwikkelen met nieuwe mogelijkheden en functies, zoals therapeutische eiwitten die gericht zijn op kanker. De creatie van een gecoassembleerde eiwit-DNA-nanodraad is een andere mijlpaal op dit gebied.

"Ons eerdere werk was voornamelijk gericht op het ontwerpen van oplosbare, eiwit-only systemen. Het hier gerapporteerde werk vertegenwoordigt een aanzienlijke uitbreiding van onze activiteiten op het gebied van gemengde biomaterialen op nanoschaal, ' zegt Mayo.

Hoewel de ontwikkeling van dit nieuwe biomateriaal nog in de kinderschoenen staat, de methode, Mou zegt, heeft veel veelbelovende toepassingen die onderzoek en klinische praktijken in de toekomst kunnen veranderen.

"Onze volgende stap zal zijn om de vele potentiële toepassingen van ons nieuwe biomateriaal te verkennen, Mou zegt. "Het zou kunnen worden opgenomen in methoden om medicijnen in cellen af ​​​​te leveren - om gerichte therapieën te creëren die alleen binden aan een bepaalde biomarker op een bepaald celtype, zoals kankercellen. We zouden het idee van eiwit-DNA-nanodraden ook kunnen uitbreiden naar eiwit-RNA-nanodraden die kunnen worden gebruikt voor gentherapietoepassingen. En omdat dit materiaal gloednieuw is, er zijn waarschijnlijk nog veel meer toepassingen waar we nog niet eens aan hebben gedacht."