Автор AZoNano 23 марта 2021 г.

Группа нанобиотехнологов из Гарвардского института биологической инженерии Висса и Института рака Дана-Фарбер (DFCI) во главе с членом-основателем факультета Висса Уильямом Ши, доктором философии, разработала программируемую самодиагностику ДНК. Стратегия сборки, которая решает ключевую задачу надежного контроля нуклеации и открывает путь для таких приложений, как сверхчувствительное диагностическое обнаружение биомаркеров и масштабируемое производство структур микрометрового размера с элементами нанометрового размера.

Используя метод, называемый «перекрестная полимеризация», исследователи могут инициировать плетение нанолент из удлиненных одиночных нитей ДНК (называемых «планками») посредством строго зависящего от семян события зародышеобразования. Исследование опубликовано в Nature Communications .

ДНК-наноструктуры имеют большой потенциал для решения различных диагностических, терапевтических и производственных задач из-за их высокой биосовместимости и программируемости.

Для функционирования эффективных диагностических устройств, например, наноструктура ДНК может нуждаться в специфической реакции на присутствие целевой молекулы, инициируя усиленное считывание, совместимое с недорогими приборами, доступными в местах оказания медицинской помощи или в клинических условиях. лабораторные настройки.

Большинство наноструктур ДНК собираются с использованием одной из двух основных стратегий, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны. «ДНК оригами» формируются из длинной одноцепочечной цепи каркаса, которая стабилизируется в двух- или трехмерной конфигурации множеством более коротких цепей штапеля.

Их сборка строго зависит от стренги каркаса, что приводит к надежному складыванию по принципу «все или ничего». Хотя они могут быть получены с высокой чистотой в широком диапазоне условий, их максимальный размер ограничен. С другой стороны, «кирпичики ДНК» могут собирать гораздо более крупные структуры из множества коротких модульных цепей.

Однако их сборка требует строго контролируемых условий окружающей среды, может быть ложно инициирована при отсутствии затравки и дает значительную часть неполных структур, которые необходимо очистить.

«Внедрение ДНК-оригами стало самым значительным достижением в области ДНК-нанотехнологий за последние два десятилетия. Подход перекрестной полимеризации, который мы разработали в этом исследовании, строится на этой и других основах для расширения контролируемых Самосборка ДНК в гораздо более крупные масштабы », – сказал Ши, который является одним из руководителей Инициативы молекулярной робототехники Висса, а также является профессором Гарвардской медицинской школы и DFCI.

«Мы предполагаем, что перекрестная полимеризация будет в широком смысле способствовать формированию двух- и трехмерных микроструктур по принципу« все или ничего »с адресуемыми наноразмерными функциями, алгоритмической самосборкой и усилением сигнала без фона в диагностических приложениях. которые требуют крайней чувствительности ".

Посадка семян

Испытав ограничения ДНК-оригами и наноструктур ДНК-кирпичиков, команда начала с вопроса, можно ли объединить абсолютную зависимость сборки ДНК-оригами от семян с безграничным размером кирпичиков ДНК в третьем типе наноструктур ДНК. который быстро и последовательно растет до больших размеров.

«Мы утверждали, что полная сборка структур ДНК микронного размера может быть достигнута путем разработки системы, которая имеет высокий барьер свободной энергии для спонтанной сборки. Барьер можно обойти только с помощью затравки. который связывает и организует набор «зарождающихся» планок для совместного захвата планок «роста». Это инициирует цепную реакцию добавлений планок роста, которая приводит к образованию длинных лент ДНК, », – сказал соавтор исследования Дионис Минев, доктор философии. .D., Научный сотрудник в команде Ши.

«Этот тип высоко кооперативной, строго зависимой от семян нуклеации следует некоторым из тех же принципов, управляющих цитоскелетным актином или инициацией и ростом филаментов микротрубочек в клетках. »

Удлинение цитоскелетных филаментов следует строгим правилам, согласно которым каждый входящий мономер связывается с несколькими мономерами, которые ранее были включены в полимерный филамент, и, в свою очередь, необходим для связывания следующего.

«Перекрестная полимеризация выводит эту стратегию на новый уровень, позволяя потребовать не ближайших соседей для набора входящих мономеров. Результирующий экстремальный уровень координации является секретным соусом, », – сказал Минев.

От концепции к реальным сооружениям

Применяя свою концепцию на практике, команда разработала и проверила систему, в которой крошечная структура семян предлагает высокую начальную концентрацию предварительно сформированных сайтов связывания в виде выступающих одиночных цепей ДНК.

Они могут быть обнаружены с помощью планок ДНК с шестью (или в альтернативной перекрестной системе с восемью) доступными сайтами связывания, каждый из которых связывается с одной из шести (или восьми) соседних выступающих цепей оцДНК по перекрестному образцу, и последующие планки ДНК затем непрерывно добавляется к удлиненной конструкции.

«Наш дизайн примечателен тем, что мы достигли быстрого роста огромных структур ДНК, но с контролем зародышеобразования, который на порядки превосходит другие подходы. Это все равно, что съесть свой торт и съесть его, потому что мы охотно создавали крупномасштабные собрания и делали это только там и тогда, когда мы этого хотели », – сказал соавтор, доктор философии Крис Винтерсингер. студент в группе Ши, сотрудничавший с Миневым над проектом

«Контроль, которого мы достигли с перекрестным скрещиванием, значительно превосходит тот, который наблюдается для существующих методов ДНК, где зародышеобразование может быть направлено только в узком диапазоне условий, при которых рост чрезвычайно медленный».

Используя перекрестную полимеризацию, команда Ши создала ленты ДНК, которые самоорганизовывались в результате одного конкретного события посева в структуры длиной до десятков микрометров, с массой почти в сто раз больше, чем у типичного ДНК-оригами. .

Более того, используя высокую программируемость конформаций и взаимодействий планок, исследователи создали ленты с четкими поворотами и изгибами, что привело к образованию спиральных и трубчатых структур. В будущих исследованиях это может быть использовано для создания функционализированных структур, которые могут извлечь выгоду из пространственно разделенных компартментов.

«Непосредственное применение нашего метода перекрестных наноконструкций – это стратегия амплификации в диагностических анализах после образования нанососев из специфических и редких биомаркеров», заявила соавтор Анастасия Ершова, которая также является доктором философии. .D. ученик, наставник Ши.

«Разработка этого нового метода нанопроизводства является ярким примером того, как инициатива Института Висс по молекулярной робототехнике продолжает вдохновляться биологическими системами, в данном случае выращиванием филаментов цитоскелета, и продолжает расширять возможности в этом захватывающем Этот прогресс приближает потенциал ДНК-нанотехнологий к решению насущных диагностических проблем, для которых в настоящее время нет решений », – сказал директор-основатель Wyss Дональд Ингбер, доктор медицины, доктор философии, который также является профессором Джуды Фолкмана. Сосудистая биология в Гарвардской медицинской школе и Бостонской детской больнице, а также профессор биоинженерии в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона.

Источник: https://wyss.harvard.edu/