Sommige biochemische laboratoria veranderen eiwitten in complexe vormen, het construeren van het DNA-nanotechnologische equivalent van barok- of rococo-architectuur. Yamuna Krishnan, echter, geeft de voorkeur aan structureel minimalistische apparaten.

"De filosofie van ons lab is er een van minimalistisch design, " zei Krishnan, hoogleraar scheikunde. "Het grenst aan brutalistisch. Functioneel zonder toeters en bellen. Er zijn verschillende laboratoria die DNA in prachtige vormen ontwerpen, maar binnen een levend systeem, je hebt zo min mogelijk DNA nodig om de klus te klaren."

Die taak is om te fungeren als capsules voor medicijnafgifte of als biomedische diagnostische hulpmiddelen.

In 2011, Krishnan en haar groep, vervolgens in het National Center for Biological Sciences in Bangalore, Indië, werd de eerste die de werking van een DNA-nanomachine in een levend organisme aantoonde. Deze nanomachine, genaamd I-switch, gemeten subcellulaire pH met een hoge mate van nauwkeurigheid. Sinds 2011, Krishnan en haar team hebben een palet van pH-sensoren ontwikkeld, elk afgestemd op de pH van het doelorganel.

Vorige zomer, het team rapporteerde nog een prestatie:de ontwikkeling van een DNA-nanosensor die de fysiologische concentratie van chloride met een hoge mate van nauwkeurigheid kan meten.

"Yamuna Krishnan is een van de toonaangevende beoefenaars van biologisch georiënteerde DNA-nanotechnologie, " zei Nadrian Seeman, de vader van het veld en de Margaret en Herman Sokol hoogleraar scheikunde aan de New York University. "Dit soort intracellulaire sensoren zijn voor zover ik weet uniek, en vertegenwoordigen een grote vooruitgang op het gebied van DNA-nanotechnologie."

Chloride sensor

Chloride is de meest voorkomende, oplosbaar, negatief geladen molecuul in het lichaam. En toch, totdat de Krishnan-groep zijn chloridesensor introduceerde - Clensor genaamd - was er geen effectieve en praktische manier om intracellulaire chloridevoorraden te meten.

"Wat vooral interessant is aan deze sensor, is dat hij volledig pH-onafhankelijk is, "Seman zei, een significante afwijking van het vorige schema van Krishnan. "Ze heeft een aantal jaren gewerkt aan het ontwikkelen van pH-sensoren die intracellulair werken en een fluorescerend signaal geven als gevolg van een verschuiving in pH."

De mogelijkheid om chlorideconcentraties te registreren is om vele redenen belangrijk. Chloride speelt een belangrijke rol in de neurobiologie, bijvoorbeeld. Maar calcium en natrium - beide positief geladen ionen - hebben de neiging om het grootste deel van de neurobiologische glorie te grijpen vanwege hun rol bij de excitatie van neuronen.

"Maar als je wilt dat je neuron weer gaat vuren, je moet het terugbrengen naar zijn normale staat. Je moet stoppen met vuren, " zei Krishnan. Dit wordt "neuronale remming, " wat chloride doet.

"Het is belangrijk om je neuron te resetten voor een tweede vuurronde, anders zouden we allemaal onze hersenen maar één keer kunnen gebruiken, " ze zei.

Onder normale omstandigheden, het transport van chloride-ionen helpt het lichaam dunne, vrij stromend slijm. Maar een genetisch defect resulteert in een levensbedreigende ziekte:cystische fibrose. Het vermogen van Clensor om eiwitactiviteit van moleculen te meten en te visualiseren, zoals die gerelateerd aan cystische fibrose transmembraan, zou kunnen leiden tot high-throughput-assays om te screenen op chemicaliën die de normale werking van het chloridekanaal zouden herstellen.

Negen ziekten

"Je zou dit kunnen gebruiken om te kijken naar de activiteit van chloride-ionkanaal bij een verscheidenheid aan ziekten, Krishnan zei. Mensen hebben negen chloride-ionkanalen, en de mutatie van elk van deze kanalen resulteert in negen verschillende ziekten." Onder hen zijn osteopetrose, doofheid, spierdystrofie en de maculaire dystrofie van Best.

De pH-detectiemogelijkheden van de I-switch, In de tussentijd, zijn belangrijk omdat cellen meerdere organellen bevatten die specifieke waarden van zuurgraad behouden. Cellen hebben deze verschillende micro-omgevingen nodig om gespecialiseerde chemische reacties uit te voeren.

"Elk subcellulair organel heeft een specifieke rustwaarde van zuurgraad, en dat zuurgraad cruciaal is voor zijn functie, " zei Krishnan. "Als de pH niet de waarde is die het bedoeld is, het resulteert in een reeks verschillende ziekten."

Er zijn 70 zeldzame ziekten die lysosomale stapelingsstoornissen worden genoemd, die progressief en vaak fataal zijn. Elk - inclusief de ziekte van Batten, Ziekte van Niemann-Pick, De ziekte van Pompe en de ziekte van Tay-Sachs - vertegenwoordigt een andere manier waarop een lysosoom slecht kan worden. Ze vergeleek een defect lysosoom met een vuilnisbak die nooit geleegd wordt.

"Het lysosoom is in feite verantwoordelijk voor het opeten van al het afval en ervoor te zorgen dat het wordt hergebruikt of wordt verwijderd. Het is het meest zure organel in de cel." En die zuurgraad is cruciaal voor het afbraakproces.

Hoewel er 70 lysosomale stapelingsziekten zijn, Voor slechts enkele van deze geneesmiddelen zijn kleine moleculen beschikbaar. Deze bestaande behandelingen - enzymvervangende therapieën - zijn duur en zijn slechts palliatieve behandelingen. Een doel van Krishnan's groep is om het nut van hun pH-sensoren te demonstreren om nieuwe biologische inzichten in deze ziekten te ontdekken. Het ontwikkelen van medicijnen met kleine moleculen - die structureel eenvoudiger en gemakkelijker te produceren zijn dan traditionele biologische medicijnen - zou aanzienlijk kunnen helpen.

"Als we dit kunnen doen voor een of twee lysosomale ziekten, er zal hoop zijn voor de andere 68, ' zei Krishnan.