Syntetiska celler, konstruerade för att efterlikna några av de funktioner som utförs av levande celler, lovar applikationer inom bioteknik och medicin. Även de minsta biologiska cellerna är dock extremt komplexa och konstruktionen av levande konstgjorda celler står inför många vägspärrar. Forskare i Schulman Lab vid Johns Hopkins University har nyligen gjort framsteg mot en av dessa utmaningar: utbyte av materia och information över cellgränser.
Skriva i Vetenskap Förskott, forskarna – arbetar i samarbete med Aksimentiev-gruppen vid University of Illinois Urbana-Champaign – demonstrera läckagefri transport av små molekyler genom konstruerade DNA-nanokanaler över oöverträffade avstånd. I framtiden kan deras arbete hjälpa till med konstruktionen av konstgjorda celler och även hjälpa till att studera och manipulera levande vävnad.
Celler i flercelliga organismer behöver utbyta materia och kommunicera för att säkerställa deras kollektiva överlevnad. Eftersom varje cell är omgiven av ett lipidmembran som är ogenomträngligt för många biologiska molekyler, har evolutionen producerat mekanismer genom vilka denna barriär kan passeras. Signaleringsreceptorer, transportörer och porer vidarebefordrar information och tillåter passage av molekyler mellan celler och deras yttre, medan cellkontakter såsom gap junctions direkt kopplar ihop det inre av närliggande celler och möjliggör cell-till-cell-diffusion av små molekyler.
För att efterlikna dessa processer i artificiella system, "har forskare utvecklat syntetiska celler placerade bredvid varandra som kan kommunicera genom proteinporer på deras membran", förklarar första författaren Yi Li, som ledde studien. "Men att utveckla syntetiska cellsystem där celler kan kommunicera och utbyta material över längre avstånd är fortfarande en utmaning."
Proteinstrukturerna som underlättar cell-till-cell-kommunikation inom biologi är byggda "nedifrån och upp" från aminosyror - informationen som kodas i deras sekvens översätts till en struktur. En annan biologisk makromolekyl, DNA, används främst för informationslagring i celler; men på grund av dess enkla syntes och potential att bilda strukturer på hög nivå, har området för DNA-nanoteknik gått långt bortom sitt första proof-of-concept för cirka 30 år sedan. Forskare har sedan dess satt ihop allt mer sofistikerade 2D- och 3D-strukturer från DNA, inklusive gitter, rör, geometriska kroppar och till och med konstnärliga renderingar av smileys, i försök som kallas DNA-origami.
I sin studie kombinerade Schulman Lab-forskarna DNA-origami-nanoporer, som överbryggar membranen i cellliknande vesiklar och skapar små öppningar för molekyler att korsa, med konstruerade självmonterande DNA-nanorör. Genom att kvantifiera flödet av en färgämnesmolekyl in i vesiklerna visade de att korta nanoporer gjorde membranet genomträngligt för färgämnet. De validerade också att hastigheten på denna transport överensstämmer med diffusion och fann att ett specialdesignat DNA-lock kan blockera porerna och stoppa färgen från att komma in.
Teamet utökade sedan detta arbete till DNA-nanorör med en medianlängd på 700 nm och maximalt över 2 µm. Återigen visade experiment att färginflödet förstärks i närvaro av DNA-konstruktionerna och att locket kan stoppa genomträngning. Innebörden, säger Li, är att "små molekyler kan passera genom rören utan läckage, och vi förväntar oss att stora molekyler, såsom proteiner, också kan transporteras genom dessa nanorör".
Medlemmar av Aksimentiev-gruppen genomförde datorsimuleringar av Brownsk dynamik av nanopore-färgämnessystemet. Dessa illustrerade att för molekyler under en tröskelstorlek dominerade läckage genom sidoväggen av DNA-röret inflödet, medan för större molekyler blir diffusion från ände till ände den föredragna mekanismen.
Li förklarar att sådana simuleringar är komplementära med experiment på två sätt. "De kan användas som designverktyg för att hjälpa forskare att designa strukturer i nanoskala som har specifika funktioner", säger han, till exempel genom att "simulera självmonteringskinetiken för våra DNA-nanostrukturer", men de hjälper också till att "validera experimentella resultat och tillhandahålla ytterligare insikter i de fysiska processerna”.
Gör-det-själv DNA-design
Rebecca Schulman – som var med och ledde forskningen – drar en analogi till rör. "Denna studie tyder mycket starkt på att det är möjligt att bygga nanorör som inte läcker med dessa enkla tekniker för självmontering, där vi blandar molekyler i en lösning och bara låter dem bilda den struktur vi vill ha. I vårt fall kan vi också fästa dessa rör till olika ändpunkter för att bilda något som VVS.”
Labbet har ambitiösa planer för tillämpning av dessa nanorör. "Framtida utveckling inkluderar att koppla samman två eller flera artificiella celler med våra DNA-nanorör och visa molekylär transport mellan dem. Vi kan potentiellt visa [att] transporten av signalmolekyler från en cell kan aktivera/deaktivera genuttrycket i en annan cell, säger Li. Fysikvärlden. Teamet hoppas också att "använda nanorör för att kontrollera leveransen av signalmolekyler eller terapi till däggdjursceller, antingen för att studera cellsignaleringsbeteenden eller för att utveckla en strategi för läkemedelsleverans".
