Wetenschappers maken al twintig jaar nanodeeltjes uit DNA-strengen, waarbij ze de bindingen die de dubbele spiraalvorm van DNA behouden, manipuleren om zelfassemblerende structuren te vormen die ooit verbluffende medische toepassingen zouden kunnen hebben.

De studie van DNA-nanodeeltjes heeft zich echter vooral geconcentreerd op hun architectuur, waarbij de genetische code van het leven is omgezet in componenten voor het fabriceren van minuscule robots. Een paar onderzoekers van de Iowa State University op de afdeling genetica, ontwikkeling en celbiologie – professor Eric Henderson en recent gepromoveerd Chang-Yong Oh – hopen daar verandering in te brengen door te laten zien dat materialen op nanoschaal gemaakt van DNA hun ingebouwde genetische instructies kunnen overbrengen.

"Tot nu toe hebben de meeste mensen DNA-nanodeeltjes onderzocht vanuit een technisch perspectief. Er is weinig aandacht besteed aan de informatie die zich in die DNA-strengen bevindt", zei Oh.

In een recent artikel gepubliceerd in het tijdschrift Scientific Reports beschreven Henderson en Oh hoe ze DNA-nanodeeltjes construeerden die in staat waren genetische code tot expressie te brengen. Het vermogen om genen te dragen vergroot het potentieel van DNA-nanotechnologie.

"Deze structuren kunnen zowel de drager als het medicijn zijn", aldus Henderson.

Henderson en Oh zeiden dat ze tot de eerste onderzoeksteams ter wereld behoren die een DNA-nanodeeltje hebben gemaakt dat de genetische code ervan uitdrukt. De Iowa State University Research Foundation heeft in 2023 een patentaanvraag ingediend in verband met het onderzoek.

Succesvolle structuren

Henderson kwam in 1987 naar de staat Iowa, maar verdeelde veertien jaar lang zijn tijd bij het opzetten van een startup genaamd BioForce Nanosciences. Nadat hij in 2008 fulltime naar de staat Iowa was teruggekeerd, begon hij te werken aan DNA-origami:een nieuw ontwikkelde methode om zelfassemblerende complexe nanostructuren te creëren uit lange afzonderlijke DNA-strengen.

Henderson en een voormalig afgestudeerde student – ​​Divita Mathur, nu assistent-professor aan de Case Western University – ontwierpen een biosensor op nanoschaal die ziekteverwekkers kon detecteren.

Dat werk liet een slepende gedachte achter:hoe zit het met de genen die deze structuren dragen? Zou DNA-origami de genetische informatie kunnen uitdrukken die in zichzelf is geïntegreerd?

De eerste stap was het uitzoeken hoe we DNA-origami konden maken met enkele strengen die specifieke genetische sequenties hebben, in tegenstelling tot de strengen die traditioneel worden gebruikt om nanodeeltjes te maken.

Dat heeft een paar jaar geduurd. De volgende stap was het bepalen of RNA-polymerase, een enzym voor het maken van RNA-moleculen uit DNA-codes, door de uitgebreide plooien van DNA-origami zou kunnen navigeren, zei Henderson. Een bijzondere zorg was of polymerase zou worden geblokkeerd door crossovers, de kruispunten waar lange DNA-strengen zijn verbonden door korte stukjes DNA die nietjes worden genoemd.

"Het blijkt dat dit niet het geval is, wat contra-intuïtief is", zei Henderson.

Hoewel cross-overs en complexe architectuur het transcriptieproces voor het maken van RNA niet stoppen, heeft het ontwerp van een DNA-nanostructuur wel invloed op de efficiëntie van de transcriptie. Dichte structuren produceren minder RNA, wat impliceert dat het ontwerp van nanodeeltjes kan worden verfijnd om de beoogde functies te remmen of te bevorderen, zei Oh.

"We zouden een efficiënt, doelgericht toedieningssysteem kunnen maken dat potentieel heeft op veel gebieden, waaronder kankertherapie", zei hij.

Betaalbaar en duurzaam

Het potentieel voor precisie maakt deel uit van wat DNA-nanodeeltjes tot een opwindende mogelijkheid maakt, zei Henderson.

"Genbewerking is ongelooflijk krachtig, maar een van de moeilijkste onderdelen van het bewerken van genen is alleen het bewerken van de genen die je wilt bewerken. Dus dat is de droom, om deze nanodeeltjes te verfijnen om bepaalde cellen en weefsels te targeten," zei hij.

DNA-nanodeeltjes hebben echter nog andere grote voordelen. Ze zijn gemakkelijk te maken, goedkoop en duurzaam. Het zelfassembleren van nanodeeltjes is net zo eenvoudig als het verwarmen van een mengsel en het laten afkoelen, zonder dat er speciale apparatuur nodig is, zei Oh.

Mede dankzij de alomtegenwoordigheid van DNA-onderzoek zijn strengen en nietjes goedkoop te produceren. Ondanks dat ze ze dagelijks gebruiken, werken Henderson en Oh nog steeds door een pakket nietjes dat ze enkele jaren geleden voor een paar honderd dollar bij een fabrikant uit Coralville hebben gekocht.

En de componenten, die als poeder kunnen worden bewaard, hebben een lange houdbaarheid, zelfs onder de meest uitdagende omstandigheden, aldus Henderson. Het is een technologie die zich gemakkelijk kan verspreiden.

"DNA is zeer stabiel. Het is teruggevonden in monsters van meer dan 1 miljoen jaar oud", zei hij.

Meer informatie: Chang Yong Oh et al, In vitro transcriptie van zelfassemblerende DNA-nanodeeltjes, Wetenschappelijke rapporten (2023). DOI:10.1038/s41598-023-39777-0

Aangeboden door Iowa State University