Het centrale doel van nanotechnologie is het manipuleren van materialen op atomaire of moleculaire schaal, vooral om microscopisch kleine apparaten of structuren te bouwen. Driedimensionale kooien zijn een van de belangrijkste doelen, zowel vanwege hun eenvoud als hun toepassing als medicijndragers voor medicijnen. DNA-nanotechnologie gebruikt DNA-moleculen als programmeerbare "Lego's" om structuren samen te stellen met een controle die niet mogelijk is met andere moleculen.

Echter, de structuur van DNA is heel eenvoudig en mist de diversiteit aan eiwitten die de meeste natuurlijke kooien vormen, zoals virussen. Helaas, het is erg moeilijk om de assemblage van eiwitten te controleren met de precisie van DNA. Dat is, tot voor kort. Nicholas Stephanopoulos - een assistent-professor aan het Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics van de Arizona State University, en de School of Molecular Sciences - en zijn team bouwden een kooi die was opgebouwd uit zowel eiwit- als DNA-bouwstenen door het gebruik van covalente eiwit-DNA-conjugaten.

In een paper gepubliceerd in ACS Nano , Stephanopoulos wijzigde een homotrimeer eiwit (een natuurlijk enzym genaamd KDPG-aldolase) met drie identieke enkelstrengs DNA-handvatten door een reactief cysteïneresidu te functionaliseren dat ze op het eiwitoppervlak introduceerden. Dit eiwit-DNA "Lego" werd samengevoegd met een driehoekige DNA-structuur met drie complementaire armen aan de handvatten, resulterend in tetraëdrische kooien bestaande uit zes DNA-zijden die zijn afgedekt door het eiwittrimeer. De afmetingen van de kooi konden worden afgestemd door het aantal windingen per DNA-arm en de hybride structuren werden gezuiverd en gekarakteriseerd om de driedimensionale structuur te bevestigen.

Kooien werden ook gemodificeerd met DNA met behulp van klikchemie, wat een aangepaste vorm van chemie is, om snel en met grote betrouwbaarheid elementen te creëren door microscopische eenheden samen te voegen, wat de algemeenheid van de methode aantoont.

"De aanpak van mijn laboratorium zal de constructie van nanomaterialen mogelijk maken die de voordelen van zowel eiwit- als DNA-nanotechnologie bezitten, en vind toepassingen op gebieden zoals gerichte bezorging, structurele biologie, biologie, en katalytische materialen, ' zei Stephanopoulos.

Stephanopoulos en zijn team zien een kans met hybride kooien - waarbij zelfassemblerende eiwitbouwstenen worden samengevoegd met een synthetisch DNA-scaffold - die de bioactiviteit en chemische diversiteit van de eerste kunnen combineren met de programmeerbaarheid van de laatste. En dat is wat ze wilden creëren - een hybride structuur geconstrueerd door chemische conjugatie van oligonucleotide (een synthetische DNA-streng) handvatten op een eiwitbouwsteen. De driehoekige basis met drie complementaire enkelstrengs DNA-handvatten is zelf-geassembleerd en afzonderlijk gezuiverd door deze te verhitten om de eigenschappen ervan te veranderen.

"We redeneerden dat door het ontwerpen van deze twee gezuiverde bouwstenen, ze zouden spontaan op een programmeerbare manier in elkaar klikken, gebruikmakend van de herkenningseigenschappen van de DNA-handvatten, " zei Stephanopoulos. "Het was vooral van cruciaal belang om een ​​zeer thermisch stabiel eiwit zoals dit aldolase te gebruiken, omdat deze zelfmontage alleen werkt bij 55 graden Celsius, en veel eiwitten vallen bij die temperaturen uit elkaar."

Een ander voordeel van DNA, wat niet mogelijk is met eiwitten, is het afstemmen van de kooigrootte zonder alle componenten opnieuw te hoeven ontwerpen. Stephanopoulos vervolgde, "De grootte van deze assemblage zou dan rationeel kunnen worden afgestemd door de lengte van elke DNA-rand te veranderen, overwegende dat het eiwit een steiger zou bieden voor de aanhechting van kleine moleculen, gericht op peptiden of zelfs fusie-eiwitten."

Hoewel er andere voorbeelden van hybride structuren bestaan, deze specifieke kooi is de eerste die is geconstrueerd door chemische conjugatie van oligonucleotide-handvatten op een eiwitbouwsteen. Deze strategie kan in principe worden uitgebreid tot een breed scala aan eiwitten (sommige met kankergerichte capaciteiten, bijvoorbeeld). Dus, Het werk van Stephanopoulos heeft het potentieel om een ​​geheel nieuw hybride veld van eiwit-DNA-nanotechnologie mogelijk te maken met toepassingen die niet mogelijk zijn met eiwitten of alleen DNA.