Onderzoekers van de Universiteit van Jyväskylä en de Aalto Universiteit in Finland hebben een aangepaste DNA-nanostructuur ontwikkeld die een vooraf gedefinieerde taak kan uitvoeren in omstandigheden die vergelijkbaar zijn met het menselijk lichaam. Om dit te doen, het team bouwde een capsuleachtige drager die opent en sluit volgens de pH-waarde van de omringende oplossing. De nanocapsule kan worden geladen - of verpakt - met een verscheidenheid aan lading, gesloten voor levering en weer geopend door een subtiele pH-verhoging.

De functie van de DNA-nanocapsule is gebaseerd op pH-responsieve DNA-residuen.

Om dit te laten gebeuren, het team ontwierp een capsuleachtige DNA-origamistructuur gefunctionaliseerd met pH-responsieve DNA-strengen. Dergelijke dynamische DNA-nanoontwerpen worden vaak gecontroleerd door de eenvoudige waterstofbinding van twee complementaire DNA-sequenties. Hier, de helft van de capsule was uitgerust met specifieke dubbelstrengs DNA-domeinen die verder een DNA-drievoudige helix konden vormen - met andere woorden een spiraalvormige structuur bestaande uit drie, niet slechts twee DNA-moleculen - door zich in de andere helft te hechten aan een geschikt enkelstrengs DNA.

"De triplexvorming kan alleen plaatsvinden als de omringende pH van de oplossing juist is. We noemen deze pH-responsieve strengen 'pH-vergrendelingen, ' want wanneer de strengen op elkaar inwerken, ze werken op dezelfde manier als hun macroscopische tegenhangers en vergrendelen de capsule in een gesloten toestand. We hebben meerdere motieven in ons capsuleontwerp opgenomen om het openen / sluiten van de capsule te vergemakkelijken op basis van het coöperatieve gedrag van de vergrendelingen. Het openen van de capsule gaat eigenlijk heel snel en vereist slechts een kleine pH-verhoging van de oplossing, " legt de eerste auteur van de studie uit, promovendus Heini Ijäs van Nanoscience Center aan de Universiteit van Jyvaskyla..

Nanodeeltjes en enzymen kunnen worden geladen en ingekapseld in de capsules

Om de nanocapsules te gebruiken voor het transport van moleculaire ladingen of therapeutische stoffen, het team ontwierp de capsule met een holte die verschillende materialen kon bevatten. Ze toonden aan dat zowel gouden nanodeeltjes als enzymen kunnen worden geladen (hoge pH) en ingekapseld in de capsules (lage pH) en opnieuw kunnen worden weergegeven (hoge pH). Door de enzymactiviteit te volgen, de onderzoekers ontdekten dat de lading in de loop van het proces volledig functioneel bleef.

"Het meest intrigerende aan de DNA-origami-capsules is dat de drempel-pH waarbij het openen en sluiten plaatsvindt volledig instelbaar is door de basensequenties van de pH-vergrendelingen te selecteren. We hebben de drempel-pH ontworpen op 7,2-7,3, dicht bij de pH van het bloed. In de toekomst, dit type medicijndrager zou kunnen worden geoptimaliseerd om selectief te openen in specifieke kankercellen, die een hogere pH kunnen behouden dan normale gezonde, " zegt Veikko Linko, Adjunct-hoogleraar aan de universiteit van Aalto.

Verder, de capsules bleven functioneel bij fysiologische magnesium- en natriumconcentraties, en in 10 procent bloedplasma, en kan dit blijven doen bij nog hogere plasmaconcentraties. Samen, deze bevindingen helpen de weg vrij te maken voor de ontwikkeling van slimme en volledig programmeerbare voertuigen voor medicijnafgifte voor nanogeneeskunde.