Sünteetilised rakud, mis on loodud jäljendama mõnda elusrakkude funktsiooni, on paljutõotavad rakenduste jaoks biotehnoloogias ja meditsiinis. Isegi väikseimad bioloogilised rakud on aga äärmiselt keerulised ja elusate tehisrakkude ehitamine seisab silmitsi paljude teetõketega. Teadlased aastal Schulmani labor Johns Hopkinsi ülikoolis on hiljuti edu saavutanud ühe neist väljakutsetest: aine ja teabe vahetamine üle rakupiiride.
Sisestamine Teadus ettemaksed, teadlased teevad koostööd Aksimentjevi grupp Illinoisi ülikoolis Urbana-Champaign – demonstreerida väikeste molekulide lekkevaba transporti DNA nanokanalite kaudu enneolematute vahemaade tagant. Tulevikus võib nende töö aidata kunstlikke rakke ehitada ning aidata ka eluskoe uurimisel ja manipuleerimisel.
Mitmerakuliste organismide rakud peavad oma kollektiivse ellujäämise tagamiseks vahetama ainet ja suhtlema. Kuna iga rakku ümbritseb lipiidmembraan, mis on paljudele bioloogilistele molekulidele läbimatu, on evolutsioon loonud mehhanismid, mille abil saab seda barjääri läbida. Signaaliretseptorid, transporterid ja poorid edastavad teavet ja võimaldavad molekulide läbimist rakkude ja nende välispinna vahel, samal ajal kui rakukontaktid, näiteks vaheühendused, ühendavad otse naaberrakkude sisemuse ja võimaldavad väikeste molekulide difusiooni rakkudest rakkudesse.
Nende protsesside jäljendamiseks tehissüsteemides on "teadlased välja töötanud sünteetilised rakud, mis on paigutatud üksteise kõrvale ja mis suudavad suhelda oma membraanide valgupooride kaudu", selgitab esimene autor Yi Li, kes juhtis uuringut. "Kuid sünteetiliste rakusüsteemide väljatöötamine, kus rakud saavad suhelda ja materjale pikema vahemaa tagant vahetada, on endiselt väljakutse."
Valgustruktuurid, mis hõlbustavad bioloogias rakkudevahelist suhtlust, on üles ehitatud aminohapetest "alt üles" – nende järjestuses kodeeritud teave muundub struktuuriks. Teist bioloogilist makromolekuli, DNA-d, kasutatakse peamiselt teabe salvestamiseks rakkudes; kuid tänu oma sünteesi lihtsusele ja potentsiaalile moodustada kõrgetasemelisi struktuure, on DNA nanotehnoloogia valdkond läinud palju kaugemale oma esimesest kontseptsioonist umbes 30 aastat tagasi. Sellest ajast alates on teadlased DNA-st järjest keerukamaid 2D- ja 3D-struktuure kokku pannud, sealhulgas võreid, torusid, geomeetrilisi kehasid ja isegi naerunägude kunstilisi kujutisi, mida nimetatakse DNA origamiks.
Schulman Labi teadlased ühendasid oma uuringus DNA origami nanopoorid, mis ühendavad rakulaadsete vesiikulite membraane ja loovad molekulide läbimiseks väikesed avad, konstrueeritud isekoosnevate DNA nanotorudega. Kvantifitseerides värvimolekuli voogu vesiikulitesse, näitasid nad, et lühikesed nanopoorid muutsid membraani värvile läbilaskvaks. Samuti kinnitasid nad, et selle transpordi kiirus on kooskõlas difusiooniga, ja leidsid, et spetsiaalselt loodud DNA kork võib blokeerida poorid ja takistada värvaine sisenemist.
Seejärel laiendas meeskond seda tööd DNA nanotorudele, mille keskmine pikkus oli 700 nm ja maksimaalselt üle 2 µm. Jällegi näitasid katsed, et DNA konstruktsioonide juuresolekul suureneb värvainete sissevool ja kate võib läbitungimise peatada. Li ütleb, et "väikesed molekulid võivad torusid läbida ilma leketeta ja eeldame, et ka suuri molekule, nagu valke, saab nende nanotorude kaudu transportida".
Aksimentievi grupi liikmed viisid läbi nanopooride-värvide süsteemi Browni dünaamika arvutisimulatsioonid. Need näitasid, et lävi suurusest väiksemate molekulide puhul domineeris sissevoolu leke läbi DNA toru külgseina, samas kui suuremate molekulide puhul muutub eelistatud mehhanismiks ots-otsa difusioon .
Li selgitab, et sellised simulatsioonid täiendavad katseid kahel viisil. "Neid saab kasutada disainivahenditena, et aidata teadlastel kavandada nanomõõtmelisi struktuure, millel on spetsiifilised funktsioonid," ütleb ta, näiteks "simuleerides meie DNA nanostruktuuride isekoosnemise kineetikat", kuid need aitavad ka "katsetulemusi kinnitada ja pakkuda täiendavaid teadmisi füüsilistest protsessidest”.
Tehke ise DNA disain
Rebecca Schulman – kes juhtis uurimistööd – toob analoogia torudega. "See uuring viitab väga tugevalt sellele, et on võimalik ehitada nanotorusid, mis ei leki, kasutades neid lihtsaid isemonteerimismeetodeid, kus me segame molekulid lahuses ja laseme neil lihtsalt moodustada soovitud struktuuri. Meie puhul saame need torud kinnitada ka erinevatele lõpp-punktidele, et moodustada midagi torustiku sarnast.
Laboril on nende nanotorude rakendamiseks ambitsioonikad plaanid. "Tuleviku arengud hõlmavad kahe või enama tehisraku ühendamist meie DNA nanotorudega ja nende vahel molekulaarse transpordi näitamist. Võime potentsiaalselt näidata, [et] signaalimolekulide transport ühest rakust võib aktiveerida / deaktiveerida geeniekspressiooni teises rakus, " räägib Li. Füüsika maailm. Meeskond loodab ka "kasutada nanotorusid, et kontrollida signaalmolekulide või ravimite kohaletoimetamist imetajate rakkudesse, et uurida rakkude signaaliülekande käitumist või töötada välja ravimite kohaletoimetamise strateegia".
