DNA is gebruikt als een 'moleculaire bouwsteen' om synthetische bio-geïnspireerde poriën te construeren die de manier waarop medicijnen worden afgeleverd zullen verbeteren en het veld van synthetische biologie vooruit helpen, volgens wetenschappers van UCL en Nanion Technologies.

De studie, vandaag gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie en gefinancierd door de Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC), Leverhulme Trust en UCL Chemistry, laat zien hoe DNA kan worden gebruikt om stabiele en voorspelbare poriën te bouwen met een gedefinieerde vorm en lading om te bepalen welke moleculen wanneer door de porie kunnen gaan.

Hoofdauteur, Dr. Stefan Howorka (UCL Chemie), zei:"Natuurlijke biologische poriën gemaakt van eiwitten zijn essentieel voor het transporteren van lading in en uit biologische cellen, maar ze zijn moeilijk vanaf het begin te ontwerpen. DNA biedt een geheel nieuwe strategie voor het construeren van zeer specifieke synthetische poriën die we op verzoek kunnen openen en sluiten. We hebben onze poriën zo ontworpen dat ze zich gedragen als deuren - de deur wordt alleen ontgrendeld als deze van de juiste sleutel is voorzien. Door deze poriën in medicijndragers op te bouwen, we denken dat het een veel preciezere targeting van therapieën mogelijk zal maken."

Veel therapieën, waaronder geneesmiddelen tegen kanker, kunnen door het lichaam worden vervoerd in kleine dragers die blaasjes worden genoemd en die met biologische markers op verschillende weefsels worden gericht. Eerder, het vrijgeven van de medicijnen van binnenuit de blaasjes werd geactiveerd met door temperatuur geïnduceerde lekkende blaasjeswanden of met ingevoegde peptidekanalen, die minder rigide en voorspelbaar zijn dan DNA.

Met behulp van DNA-bouwstenen, het team ontwierp poriën met vooraf bepaalde structuren en gedefinieerde eigenschappen die precies waren verankerd in de wanden - of membranen - van blaasjes.

"Onze poriën hebben de vorm van een open vat gemaakt van zes DNA-staven. We hebben een moleculaire poort ontworpen om één ingang af te sluiten, maar vervolgens het kanaal opnieuw te openen wanneer een specifiek molecuul bindt. Ankers met een hoge membraanaffiniteit werden bevestigd om het water te binden -oplosbare poriën in het olieachtige membraan, " verklaarde eerste auteur, Dr. Jonathan Burns (UCL Chemie).

Met behulp van elektrofysiologische technieken, de onderzoekers bevestigden dat de porie verticaal het oppervlak van het membraan overspande en stabiel was met een interne breedte van 2 nm, wat een geschikte maat is voor kleine medicijnmoleculen om er doorheen te passen.

Het vergrendelings- en ontgrendelingsmechanisme van de poort werd vervolgens getest met elektrofysiologische technieken en met fluoroforen, die even groot zijn als kleine moleculen. Omdat de DNA-porie een netto negatieve lading had, fluoroforen met een netto negatieve lading verplaatsten zich gemakkelijker door dan die met een netto positieve lading, met selectiviteit waarvoor lading zou kunnen vertrekken. Het verwijderen van het slot met een bijpassende sleutel verhoogde het verkeer 140-voudig in vergelijking met een niet-overeenkomende sleutel.

Co-auteur Astrid Seifert die samenwerkt met Dr. Niels Fertig bij Nanion Technologies, zei:"We waren in staat om de prestaties van elk van de poriën die we hebben gemaakt nauwkeurig te analyseren. We hebben eerst poriën in membranen ingebracht en vervolgens de biofysische respons van elk kanaal getest met behulp van geavanceerde microchips. We hebben niet alleen een nieuwe manier ontwikkeld om zeer specifieke poriën, maar ook een geautomatiseerde methode om hun eigenschappen in situ te testen, wat belangrijk zal zijn voor het testen van poriën die in de toekomst worden gebruikt voor gerichte medicijnafgifte."

De onderzoekers zijn van plan de synthetische poriën te testen in verschillende scenario's, waaronder de afgifte van geneesmiddelen tegen kanker aan cellen en de ontwikkeling van poriën die farmaceutisch actieve biomoleculen afgeven.

Dr. Howorka heeft toegevoegd, "Onze aanpak is een grote stap voorwaarts in het bouwen en gebruiken van synthetische biologische structuren en belooft een nieuw tijdperk in porieontwerp en synthetische biologie. We hebben zo'n nauwkeurige controle over het gedrag van de porie aangetoond, zowel in termen van selectiviteit als in termen van responsiviteit, geloven we dat de methode de weg vrijmaakt voor een breed scala aan toepassingen, van medicijnafgifte tot nanosensing."