DNA origami - innowacyjny sposób dostarczenia leków07.05.2013

autor: Magdalena Czułup
słowa kluczowe:

DNA origami to w ogólności technika polegająca na wykorzystaniu DNA jako materiału konstrukcyjnego w nanoskali do tworzenia specjalnego „rusztowania” i w efekcie formowania dwu- i trójwymiarowych struktur.

Naukowcom z Arizona State University udało się opracować metodę, dzięki której pojedyncza nić DNA może ulegać takiemu zwinięciu w przestrzeni, że możliwe jest powstawanie struktur zdecydowanie bardziej skomplikowanych, niż miało to miejsce do tej pory. Struktury te mogą być zarówno płaskie, jak i przestrzenne w postaci zachodzących na siebie i blokujących wzajemnie siatek. Naukowcy z Arizona State University opracowali sposób, za pomocą którego to „rusztowanie” powstaje z krzyżujących się niemal prostopadle względem siebie fragmentów pojedynczych nici DNA. Choć sama idea połączenia krzyżujących się nici DNA nie jest nowa, to nie udało się wcześniej wykorzystać takich połączeń w budowie bardziej złożonych struktur, ze względu na problem niekorzystnego oddziaływania elektrostatycznego. Zespół naukowców przezwyciężył tę trudność poprzez zastosowanie delikatnego skręcenia "połączeń krzyżowych", tworząc tym samym niespodziewanie stabilne formy. Sposób ten umożliwił naukowcom stworzenie struktur sferycznych, a także spiralnych form przestrzennych. Powstanie takich stabilnych struktur jest dowodem na możliwość tworzenia nanocząstek o ściśle zaplanowanym kształcie i wielkości oraz wartości kątów pomiędzy poszczególnymi elementami. Jak podkreślają sami badacze, jest to osiągnięcie naukowe, które stwarza nadzieje na praktyczne wykorzystanie DNA origami na przykład do formowania precyzyjnych przenośników transportujących leki wprost do miejsca ich działania. Potencjalne zastosowania dla takich konstrukcji są niezliczone i obejmują m.in. tworzenie mikroskopijnych przewodów elektrycznych czy gotowych części do nanomaszyn.

Cząsteczki DNA origami powstają w wyniku działania zasady komplementarności. Zgodnie z nią, dwie jednoniciowe cząsteczki DNA (lub dwa odcinki tej samej nici) łączą się ze sobą i tworzą nić podwójną tylko wtedy, gdy ich fragmenty zawierają komplementarną sekwencję zasad azotowych. Synteza cząsteczek o odpowiedniej sekwencji zasad umożliwia więc stworzenie kompleksu o ściśle zaplanowanych miejscach łączenia się nici. W praktyce okazuje się, że sama zasada komplementarności nie wystarcza, by stworzyć wiele nieskomplikowanych, lecz ważnych kształtów, takich jak np. kąt prosty. Naukowcy z BYU znaleźli jednak sposób na rozwiązanie tego problemu. Aby uzyskać wiązki DNA rozchodzące się pod kątem ok. 90°, zsyntetyzowano cząsteczki, w których połączeniu w paru ulegały długie sekwencje zasad. Powstanie takich struktur oznaczało usztywnienie całej nici, dzięki czemu powstały "linie proste". Miejsca, w których zasady azotowe pochodzące z poszczególnych odcinków nie uległy połączeniu w pary, były znacznie bardziej elastyczne i stawały się naturalnymi "zawiasami", w których dochodziło do wygięcia nici. Dzięki odpowiedniemu rozmieszczeniu miejsc "zawiasowych" udało się rozłożyć wewnętrzne naprężenia wewnątrz cząsteczki tak, by najkorzystniejszą termodynamicznie (a więc przyjmowaną w większości przypadków) konfiguracją było wygięcie tych regionów pod kątem prostym.

Jednym z ciekawszych pomysłów jest nanoorigami w kształcie pudełka, stworzone przez japońskich naukowców z The University of Tokyo, z łańcucha pojedynczoniciowego DNA bakteriofaga M13. Nanometrycznej wielkości pudełko, o boku mającym zaledwie 40 nanometrów, można użyć do magazynowania i transportu różnych substancji, w tym i leków. Proces składania łańcucha DNA jest w pełni kontrolowany, za pomocą dodawanych we właściwym momencie, odpowiednich łączników DNA. Co więcej, w pierwszym etapie powstaje otwarte nanopudełeczko, do którego wnętrza można wprowadzić różne substancje chemiczne (np. białka, łańcuchy RNA, czy leki), po czym możliwe jest zamknięcie wieczka. Według naukowców, opracowana metoda jest pierwszą, która pozwala na tworzenie tego typu trójwymiarowych struktur z DNA. Efekt badań powinien znaleźć zastosowanie przy opracowaniu nowoczesnych metod dostarczania leków lub genów naprawczych w terapii genowej bezpośrednio do chorych komórek. DNA Origami 3D to nanotechnologia w czystej postaci. Naukowcy programują klocki, których rozmiary nie przekraczają 100 nanometrów. Klocki mają wypustki i puste przestrzenie. Dzięki temu mogą się łączyć w określonych konfiguracjach i tworzyć większe struktury. Większe, ale wciąż - mikroskopijne.

Praca grupy George’s Churcha [2], opisuje zastosowanie origami DNA do stworzenia "nanorobotów": cząsteczek DNA działających jak kontenery transportujące do wnętrza komórek obce substancje, np. leki, a następnie uwalniające te związki w kontrolowany sposób. Nie wykluczone, że przenośniki zbudowane z cząsteczek DNA będą w przyszłości transportować leki w określone miejsca naszego organizmu, wyłapywać podejrzane cząsteczki z krwi, pomagać farmaceutom w syntezowaniu określonych związków i wykonywać wiele zadań, które dziś trudno w ogóle przewidzieć.

Literatura:

  1. Pound E. , Ashton J.R (2009). Polymerase Chain Reaction Based Scaffold Preparation for the Production of Thin, Branched DNA Origami Nanostructures of Arbitrary Sizes, Nano Lett., 9 (12), 4302–4305.
  2. Douglas, S., Bachelet, I., & Church, G. (2012). A Logic-Gated Nanorobot for Targeted Transport of Molecular Payloads” Science, 335 (6070), 831-834 
  3. http://kopalniawiedzy.pl/DNA-DNA-origami-zasada-komplementarnosci-helisa-nanotechnologia,8524
  4. http://pubs.acs.org/journal/nalefd

ISSN 1689-7730