Synteettiset solut, jotka on suunniteltu jäljittelemään joitain elävien solujen suorittamia toimintoja, tarjoavat lupauksia biotekniikan ja lääketieteen sovelluksille. Pienimmätkin biologiset solut ovat kuitenkin erittäin monimutkaisia, ja elävien keinotekoisten solujen rakentaminen kohtaa lukuisia esteitä. Tutkijat alueella Schulman Lab Johns Hopkinsin yliopistossa ovat äskettäin edistyneet kohti yhtä näistä haasteista: aineen ja tiedon vaihtoa solurajojen yli.
Kirjoittaminen sisään Tiede ennakot, tutkijat – työskentelevät yhteistyössä Aksimentiev Group Illinoisin yliopistossa Urbana-Champaign – esittele pienten molekyylien vuotamatonta kulkeutumista DNA:n nanokanavien kautta ennennäkemättömien etäisyyksien yli. Jatkossa heidän työnsä voi auttaa keinotekoisten solujen rakentamisessa ja myös elävän kudoksen tutkimisessa ja manipuloinnissa.
Monisoluisten organismien solujen on vaihdettava ainetta ja kommunikoitava varmistaakseen kollektiivisen selviytymisensä. Koska jokaista solua ympäröi lipidikalvo, joka on monien biologisten molekyylien läpäisemätön, evoluutio on tuottanut mekanismeja, joilla tämä este voidaan ylittää. Signaalireseptorit, kuljettajat ja huokoset välittävät tietoa ja mahdollistavat molekyylien kulkemisen solujen ja niiden ulkopuolen välillä, kun taas solukontaktit, kuten aukkoliitokset, yhdistävät suoraan naapurisolujen sisäosien ja mahdollistavat pienten molekyylien diffuusion solusta soluun.
Näiden prosessien jäljittelemiseksi keinotekoisissa järjestelmissä "tutkijat ovat kehittäneet synteettisiä soluja, jotka sijaitsevat vierekkäin ja jotka voivat kommunikoida kalvojensa proteiinihuokosten kautta", selittää ensimmäinen kirjoittaja Yi Li, joka johti tutkimusta. "Kuitenkin sellaisten synteettisten solujärjestelmien kehittäminen, joissa solut voivat kommunikoida ja vaihtaa materiaaleja pitkiä matkoja, on edelleen haaste."
Biologiassa solujen välistä kommunikaatiota helpottavat proteiinirakenteet rakentuvat "alhaalta ylöspäin" aminohapoista – niiden sekvenssiin koodattu tieto muuttuu rakenteeksi. Toista biologista makromolekyyliä, DNA:ta, käytetään pääasiassa tiedon tallentamiseen soluihin; mutta koska sen synteesi on helppo ja mahdollistaa korkean tason rakenteiden muodostaminen, DNA-nanoteknologian ala on mennyt paljon pidemmälle kuin ensimmäinen konseptitodistus noin 30 vuotta sitten. Tutkijat ovat sittemmin koonneet DNA:sta yhä kehittyneempiä 2D- ja 3D-rakenteita, mukaan lukien hilat, putket, geometriset kappaleet ja jopa taiteelliset hymynaamamuodot DNA-origami-nimisellä ponnisteluilla.
Schulman Labin tutkijat yhdistivät tutkimuksessaan DNA-origami-nanohuokosia, jotka muodostavat sillan solumaisten rakkuloiden kalvot ja luovat pieniä aukkoja molekyylien ylittämiseen, itsekokoontuviin DNA-nanoputkiin. Kvantifioimalla väriainemolekyylin virtauksen vesikkeleihin he osoittivat, että lyhyet nanohuokoset tekivät kalvosta väriainetta läpäisevän. He myös vahvistivat, että tämän kuljetuksen nopeus on yhdenmukainen diffuusion kanssa, ja havaitsivat, että erityisesti suunniteltu DNA-korkki voi tukkia huokoset ja estää väriaineen pääsyn sisään.
Tämän jälkeen ryhmä laajensi tämän työn DNA-nanoputkiin, joiden mediaanipituus oli 700 nm ja maksimi yli 2 µm. Jälleen kokeet osoittivat, että väriaineen sisäänvirtaus lisääntyy DNA-rakenteiden läsnä ollessa ja että korkki voi pysäyttää läpäisyn. Li sanoo, että "pienet molekyylit voivat kulkea putkien läpi ilman vuotoja, ja odotamme, että suuria molekyylejä, kuten proteiineja, voidaan kuljettaa myös näiden nanoputkien läpi".
Aksimentiev-ryhmän jäsenet suorittivat Brownin dynamiikan tietokonesimulaatioita nanohuokos-värijärjestelmästä. Nämä osoittivat, että kynnyskoon alapuolella oleville molekyyleille vuoto DNA-putken sivuseinän läpi hallitsi sisäänvirtausta, kun taas suuremmille molekyyleille päästä päähän -diffuusio tulee suositeltavaksi mekanismiksi.
Li selittää, että tällaiset simulaatiot täydentävät kokeita kahdella tavalla. "Niitä voidaan käyttää suunnittelutyökaluina auttamaan tutkijoita suunnittelemaan nanomittakaavan rakenteita, joilla on tiettyjä tehtäviä", hän sanoo, esimerkiksi "simuloimalla DNA-nanorakenteidemme itsekokoautumiskinetiikkaa", mutta ne auttavat myös "validoimaan kokeellisia tuloksia ja tarjoamaan lisänäkemyksiä fyysisistä prosesseista”.
Tee-se-itse DNA-suunnittelu
Rebecca Schulman – joka johti tutkimusta – vetää analogian putkiin. "Tämä tutkimus viittaa erittäin vahvasti siihen, että on mahdollista rakentaa nanoputkia, jotka eivät vuoda, käyttämällä näitä helppoja itsekokoonpanotekniikoita, joissa sekoitamme molekyylejä liuoksessa ja annamme niiden vain muodostaa haluamamme rakenteen. Meidän tapauksessamme voimme myös kiinnittää nämä putket eri päätepisteisiin muodostamaan jotain putkiston kaltaista.
Laboratoriolla on kunnianhimoisia suunnitelmia näiden nanoputkien soveltamiseksi. ”Tuleva kehitys sisältää kahden tai useamman keinotekoisen solun yhdistämisen DNA-nanoputkiemme kanssa ja molekyylikuljetuksen näyttämisen niiden välillä. Voimme mahdollisesti osoittaa [että] signalointimolekyylien kuljetus yhdestä solusta voi aktivoida/deaktivoida geenin ilmentymisen toisessa solussa", Li kertoo. Fysiikan maailma. Tiimi toivoo myös "käyttää nanoputkia signalointimolekyylien tai terapeuttisten aineiden toimittamisen ohjaamiseen nisäkässoluihin joko solujen signalointikäyttäytymisen tutkimiseksi tai lääkekuljetusstrategian kehittämiseksi".
