生きている細胞によって実行される機能の一部を模倣するように設計された合成細胞は、バイオテクノロジーや医療への応用が期待されています。 しかし、最小の生物細胞でさえ非常に複雑であり、生きた人工細胞の構築には多くの障害があります。 の研究者 シュルマン研究室 ジョンズ・ホプキンス大学の研究者らは最近、これらの課題の XNUMX つである細胞境界を越えた物質と情報の交換に向けて進歩を遂げました。
書き込む 科学の進歩、研究者 - と協力して作業 アクシメンティエフ グループ イリノイ大学アーバナ シャンペーン校で – 設計された DNA ナノチャネルを介して前例のない距離にわたって低分子を漏れなく輸送することを実証します。 将来、彼らの研究は人工細胞の構築に役立ち、生きた組織の研究と操作にも役立つ可能性があります。
多細胞生物内の細胞は、集団での生存を確保するために物質を交換し、通信する必要があります。 各細胞は、多くの生体分子が通過できない脂質膜に囲まれているため、進化はこのバリアを通過できるメカニズムを生み出しました。 シグナル伝達受容体、トランスポーター、細孔は情報を中継し、細胞とその外部との間の分子の通過を可能にしますが、ギャップ結合などの細胞接触は隣接する細胞の内部を直接接続し、小分子の細胞間拡散を可能にします。
人工システムでこれらのプロセスを模倣するために、「研究者は、膜上のタンパク質細孔を介して通信できる互いに隣り合わせに配置された合成細胞を開発しました」と、研究を共同で主導した筆頭著者のYi Liは説明しています。 「しかし、細胞がより長い距離で通信し、物質を交換できる合成細胞システムを開発することは、依然として課題です。」
生物学において細胞間コミュニケーションを促進するタンパク質構造は、アミノ酸から「ボトムアップ」で構築されます。アミノ酸配列にコード化された情報が構造に変換されます。 もう 30 つの生体高分子である DNA は、主に細胞内の情報保存に使用されます。 しかし、その合成の容易さと高レベル構造を形成する可能性のために、DNA ナノテクノロジーの分野は、約 2 年前の最初の概念実証をはるかに超えています。 それ以来、科学者たちは、DNA オリガミと呼ばれる取り組みで、格子、チューブ、幾何学的な物体、さらにはスマイリーフェイスの芸術的なレンダリングなど、DNA からさらに洗練された 3D および XNUMXD 構造を組み立ててきました。
彼らの研究では、シュルマン研究所の研究者は、細胞のような小胞の膜を橋渡しし、分子が交差するための小さな開口部を作成する DNA オリガミ ナノ細孔を、設計された自己組織化 DNA ナノチューブと組み合わせました。 小胞への色素分子の流れを定量化することにより、彼らは短いナノポアが膜を色素に対して透過性にすることを示しました。 彼らはまた、この輸送速度が拡散と一致していることを検証し、特別に設計された DNA キャップが細孔を塞ぎ、色素の侵入を阻止できることを発見しました。
その後、チームはこの研究を、長さの中央値が 700 nm、最大長が 2 µm を超える DNA ナノチューブにまで拡張しました。 繰り返しになりますが、実験により、DNA 構築物の存在下で染料の流入が促進され、キャップが浸透を阻止できることが示されました。 その意味するところは、「小さな分子は漏れることなくチューブを通過でき、タンパク質などの大きな分子もこれらのナノチューブを介して輸送できると予想される」ということです。
Aksimentiev Group のメンバーは、ナノポア - 色素系のブラウン力学コンピューター シミュレーションを実施しました。 これらは、しきい値サイズ未満の分子の場合、DNA チューブの側壁からの漏れが流入を支配し、一方、より大きな分子の場合、エンドツーエンドの拡散が好ましいメカニズムになることを示しています。
Li は、このようなシミュレーションは XNUMX つの点で実験を補完するものであると説明しています。 「それらは、研究者が特定の機能を持つナノスケール構造を設計するのに役立つ設計ツールとして使用できます」と彼は言います。物理的プロセスへの追加の洞察」。
自分でできる DNA デザイン
この研究を共同で主導した Rebecca Schulman は、パイプにたとえています。 「この研究は、溶液中で分子を混合し、必要な構造を形成させる自己組織化のためのこれらの簡単な技術を使用して、漏れないナノチューブを構築することが実現可能であることを非常に強く示唆しています. 私たちの場合、これらのチューブをさまざまなエンドポイントに取り付けて、配管のようなものを形成することもできます。」
ラボには、これらのナノチューブの応用に関する野心的な計画があります。 「将来の開発には、XNUMX つ以上の人工細胞を私たちの DNA ナノチューブで接続し、それらの間の分子輸送を示すことが含まれます。 ある細胞からのシグナル伝達分子の輸送が、別の細胞の遺伝子発現を活性化/非活性化できることを示すことができる可能性があります。 物理学の世界. チームはまた、「ナノチューブを使用して、哺乳類細胞へのシグナル伝達分子または治療薬の送達を制御し、細胞のシグナル伝達挙動を研究するか、薬物送達戦略を開発する」ことを望んでいます。
