Het creëren van kunstmatig leven is een terugkerend thema in zowel de wetenschap als de populaire literatuur, waar het beelden oproept van sluipende slijmwezens met kwade bedoelingen, of superschattige designerhuisdieren. Tegelijkertijd rijst de vraag:welke rol moet kunstmatig leven spelen in onze omgeving hier op aarde, waar alle levensvormen door de natuur zijn gecreëerd en hun eigen plaats en doel hebben?

Universitair hoofddocent Chenguang Lou van de afdeling natuurkunde, scheikunde en farmacie van de Universiteit van Zuid-Denemarken is samen met professor Hanbin Mao van de Kent State University de ouder van een speciaal kunstmatig hybride molecuul dat zou kunnen leiden tot de creatie van kunstmatige levensvormen. Ze hebben een recensie gepubliceerd in het tijdschrift Cell Reports Physical Science over de stand van het onderzoek op het gebied achter hun creatie. Het veld heet 'hybride peptide-DNA-nanostructuren' en het is een opkomend veld, nog geen tien jaar oud.

Lou's visie is het creëren van virale vaccins (gemodificeerde en verzwakte versies van een virus) en kunstmatige levensvormen die kunnen worden gebruikt voor het diagnosticeren en behandelen van ziekten.

"In de natuur hebben de meeste organismen natuurlijke vijanden, maar sommige niet. Sommige ziekteverwekkende virussen hebben bijvoorbeeld geen natuurlijke vijand. Het zou een logische stap zijn om een ​​kunstmatige levensvorm te creëren die een vijand van hen zou kunnen worden", zegt hij. zegt.

Op dezelfde manier stelt hij zich voor dat dergelijke kunstmatige levensvormen kunnen fungeren als vaccins tegen virale infecties en kunnen worden gebruikt als nanorobots of nanomachines geladen met medicijnen of diagnostische elementen en in het lichaam van een patiënt worden gestuurd.

“Een kunstmatig viraal vaccin kan over tien jaar op komst zijn. Een kunstmatige cel daarentegen is in aantocht, omdat deze uit veel elementen bestaat die gecontroleerd moeten worden voordat we ermee kunnen gaan bouwen. Maar met de kennis die we hebben , is er in principe geen belemmering om in de toekomst kunstmatige celorganismen te produceren", zegt hij.

Wat zijn de bouwstenen die Lou en zijn collega’s op dit gebied zullen gebruiken om virale vaccins en kunstmatig leven te creëren? DNA en peptiden behoren tot de belangrijkste biomoleculen in de natuur, waardoor DNA-technologie en peptidetechnologie momenteel de twee krachtigste moleculaire instrumenten in de nanotechnologische toolkit zijn.

DNA-technologie biedt nauwkeurige controle over de programmering, van het atomaire niveau tot het macroniveau, maar kan slechts beperkte chemische functies bieden omdat het slechts vier basen heeft:A, C, G en T. Peptidetechnologie daarentegen kan dat wel doen. zorgen voor voldoende chemische functies op grote schaal, aangezien er 20 aminozuren zijn om mee te werken. De natuur gebruikt zowel DNA als peptiden om verschillende eiwitfabrieken in cellen te bouwen, waardoor deze kunnen evolueren tot organismen.

Onlangs zijn Hanbin Mao en Chenguang Lou erin geslaagd ontworpen driestrengige DNA-structuren te koppelen aan driestrengige peptidestructuren, waardoor een kunstmatig hybride molecuul ontstond dat de sterke punten van beide combineert. Dit werk is gepubliceerd in Nature Communications in 2022.

Elders in de wereld werken ook andere onderzoekers aan het verbinden van DNA en peptiden, omdat deze verbinding een sterke basis vormt voor de ontwikkeling van meer geavanceerde biologische entiteiten en levensvormen.

Aan de Universiteit van Oxford zijn onderzoekers erin geslaagd een nanomachine te bouwen, gemaakt van DNA en peptiden, die door een celmembraan kan boren, waardoor een kunstmatig membraankanaal ontstaat waar kleine moleculen doorheen kunnen.

Aan de Arizona State University hebben Nicholas Stephanopoulos en collega's het mogelijk gemaakt dat DNA en peptiden zichzelf kunnen assembleren tot 2D- en 3D-structuren.

Aan de Northwest University hebben onderzoekers aangetoond dat microvezels kunnen ontstaan ​​in combinatie met het zelfassembleren van DNA en peptiden. DNA en peptiden werken op nanoniveau, dus als je de verschillen in grootte in ogenschouw neemt, zijn microvezels enorm.

Aan de Ben-Gurion Universiteit van de Negev hebben wetenschappers hybride moleculen gebruikt om een ​​ui-achtige bolvormige structuur te creëren die kankermedicijnen bevat, die veelbelovend zijn om in het lichaam te worden gebruikt om kankertumoren aan te pakken.

“Naar mijn mening is de algemene waarde van al deze inspanningen dat ze kunnen worden gebruikt om het vermogen van de samenleving om zieke mensen te diagnosticeren en te behandelen te verbeteren. Als ik vooruitkijk, zal het mij niet verbazen dat we op een dag willekeurig hybride nanomachines, virale vaccins en zelfs kunstmatige levensvormen uit deze bouwstenen zouden de samenleving helpen deze moeilijk te genezen ziekten te bestrijden”, zegt Chenguang Lou.

Meer informatie: Peptide-DNA-conjugaten als bouwstenen voor de novo-ontwerp van hybride nanostructuren, Cell Reports Physical Science (2023). dx.doi.org/10.1016/j.xcrp.2023.101620

Journaalinformatie: Celrapporten natuurwetenschappen , Natuurcommunicatie

Aangeboden door Universiteit van Zuid-Denemarken