Syntetiske celler, konstrueret til at efterligne nogle af de funktioner, der udføres af levende celler, lover godt for anvendelser inden for bioteknologi og medicin. Selv de mindste biologiske celler er imidlertid ekstremt komplekse, og konstruktionen af levende kunstige celler står over for adskillige vejspærringer. Forskere i Schulman Lab på Johns Hopkins University har for nylig gjort fremskridt mod en af disse udfordringer: udveksling af stof og information på tværs af cellegrænser.
Skrivning i Science Forskud, forskerne – arbejder i samarbejde med de Aksimentiev gruppe ved University of Illinois Urbana-Champaign – demonstrer den lækagefri transport af små molekyler gennem konstruerede DNA-nanokanaler på tværs af hidtil usete afstande. I fremtiden kan deres arbejde hjælpe med konstruktionen af kunstige celler og også hjælpe med at studere og manipulere levende væv.
Celler i flercellede organismer skal udveksle stof og kommunikere for at sikre deres kollektive overlevelse. Da hver celle er omgivet af en lipidmembran, der er uigennemtrængelig for mange biologiske molekyler, har evolutionen frembragt mekanismer, hvorved denne barriere kan krydses. Signalreceptorer, transportører og porer videregiver information og tillader passage af molekyler mellem celler og deres ydre, mens cellekontakter såsom gap junctions direkte forbinder det indre af naboceller og muliggør celle-til-celle diffusion af små molekyler.
For at efterligne disse processer i kunstige systemer har "forskere udviklet syntetiske celler placeret ved siden af hinanden, som kan kommunikere gennem proteinporer på deres membraner" forklarer førsteforfatter Yi Li, som var med til at lede undersøgelsen. "Men det er stadig en udfordring at udvikle syntetiske cellesystemer, hvor celler kan kommunikere og udveksle materialer over længere afstande."
Proteinstrukturerne, der letter celle-til-celle-kommunikation i biologi, er bygget "bottom-up" fra aminosyrer - informationen kodet i deres sekvens omsættes til en struktur. Et andet biologisk makromolekyle, DNA, bruges hovedsageligt til informationslagring i celler; men på grund af dets lette syntese og potentiale til at danne strukturer på højt niveau, er området for DNA-nanoteknologi gået langt ud over dets første proof-of-concept for omkring 30 år siden. Forskere har siden samlet stadig mere sofistikerede 2D- og 3D-strukturer fra DNA, herunder gitter, rør, geometriske kroppe og endda kunstneriske gengivelser af smiley-ansigter, i bestræbelserne omtalt som DNA-origami.
I deres undersøgelse kombinerede Schulman Lab-forskerne DNA-origami-nanoporer, som bygger bro over membranerne af cellelignende vesikler og skaber små åbninger, som molekyler kan krydse, med konstruerede selvsamlende DNA-nanorør. Ved at kvantificere fluxen af et farvestofmolekyle ind i vesiklerne viste de, at korte nanoporer gjorde membranen permeabel for farvestoffet. De validerede også, at hastigheden af denne transport er i overensstemmelse med diffusion og fandt ud af, at en specialdesignet DNA-hætte kan blokere porerne og forhindre farvestoffet i at trænge ind.
Holdet udvidede derefter dette arbejde til DNA-nanorør med en medianlængde på 700 nm og et maksimum på over 2 µm. Igen viste eksperimenter, at farvestoftilstrømningen forstærkes i nærvær af DNA-konstruktionerne, og at hætten kan standse permeation. Implikationen, siger Li, er, at "små molekyler kan passere gennem rørene uden lækager, og vi forventer, at store molekyler, såsom proteiner, også kan transporteres gennem disse nanorør".
Medlemmer af Aksimentiev-gruppen udførte Brownske dynamik-computersimuleringer af nanopore-farvestofsystemet. Disse illustrerede, at for molekyler under en tærskelstørrelse dominerede lækage gennem sidevæggen af DNA-røret tilstrømning, mens for større molekyler bliver ende-til-ende diffusion den foretrukne mekanisme.
Li forklarer, at sådanne simuleringer er komplementære med eksperimenter på to måder. "De kan bruges som designværktøjer til at hjælpe forskere med at designe strukturer i nanoskala, der har specifikke funktioner", siger han, for eksempel ved at "simulere selvsamlingskinetikken af vores DNA-nanostrukturer", men de hjælper også med at "validere eksperimentelle resultater og give yderligere indsigt i de fysiske processer”.
Gør-det-selv DNA-design
Rebecca Schulman – som var med i spidsen for forskningen – drager en analogi til rør. "Denne undersøgelse tyder meget stærkt på, at det er muligt at bygge nanorør, der ikke lækker ved hjælp af disse nemme teknikker til selvsamling, hvor vi blander molekyler i en opløsning og bare lader dem danne den struktur, vi ønsker. I vores tilfælde kan vi også fastgøre disse rør til forskellige endepunkter for at danne noget som VVS."
Laboratoriet har ambitiøse planer for anvendelse af disse nanorør. "Fremtidig udvikling omfatter at forbinde to eller flere kunstige celler med vores DNA-nanorør og vise molekylær transport blandt dem. Vi kan potentielt vise, at transporten af signalmolekyler fra én celle kan aktivere/deaktivere genekspressionen i en anden celle,” fortæller Li. Fysik verden. Holdet håber også at "bruge nanorør til at kontrollere leveringen af signalmolekyler eller terapeutiske midler til pattedyrsceller, enten for at studere cellesignaleringsadfærd eller for at udvikle en lægemiddelleveringsstrategi".
