Ett nytt syntetiskt enzym, tillverkad av DNA snarare än protein, vänder lipidmolekyler inuti cellmembranet, utlöser en signalväg som kan utnyttjas för att inducera celldöd i cancerceller.

Forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign och University of Cambridge säger att deras lipidkrypterande DNA-enzym är det första i sin klass att överträffa naturligt förekommande enzymer – och gör det med tre storleksordningar. De publicerade sina resultat i tidskriften Naturkommunikation .

"Cellmembran är fodrade med en annan uppsättning molekyler på insidan och utsidan, och celler lägger mycket resurser på att upprätthålla detta, " sa studieledaren Aleksei Aksimentiev, professor i fysik vid Illinois. "Men vid vissa tillfällen i en cells liv, asymmetrin måste demonteras. Sedan blir markörerna som var inuti utanför, som skickar signaler för vissa processer, som celldöd. Det finns enzymer i naturen som gör det som kallas scramblaser. Dock, i vissa sjukdomar där scramblases är bristfälliga, detta händer inte korrekt. Vår syntetiska scramblase kan vara en väg för terapi."

Aksimentievs grupp kom på DNA:s scramblasaktivitet när de tittade på DNA-strukturer som bildar porer och kanaler i cellmembran. De använde Blue Waters superdator vid National Center for Supercomputing Applications i Illinois för att modellera systemen på atomnivå. De såg att när vissa DNA-strukturer sätts in i membranet – i det här fallet, ett knippe av åtta DNA-strängar med kolesterol i ändarna av två av strängarna – lipider i membranet runt DNA:t börjar blandas mellan de inre och yttre membranskikten.

För att verifiera scramblase-aktiviteten som förutspås av datormodellerna, Aksimentievs grupp i Illinois samarbetade med professor Ulrich Keysers grupp i Cambridge. Cambridge-gruppen syntetiserade DNA-enzymet och testade det i modellmembranbubblor, kallas vesiklar, och sedan i mänskliga bröstcancerceller.

"Resultaten visar mycket övertygande att vår DNA-nanostruktur verkligen underlättar snabb lipidförvrängning, sade Alexander Ohmann, en doktorand vid Cambridge och en av de första författare av tidningen tillsammans med Illinois doktorand Chen-Yu Li. "Det mest intressanta, den höga vändningshastigheten som indikeras av simuleringarna av molekylär dynamik verkar vara av samma storleksordning i experiment:upp till tusen gånger snabbare än vad som tidigare visats för naturliga scramblaser."

På egen hand, DNA-scramblasen producerar celldöd urskillningslöst, sade Aksimentiev. Nästa steg är att koppla det till inriktningssystem som specifikt söker upp vissa celltyper, av vilka ett antal redan har utvecklats för andra DNA-medel.

"Vi arbetar också med att göra dessa scramblase-strukturer aktiverade av ljus eller någon annan stimulans, så att de bara kan aktiveras på begäran och kan stängas av, " sa Aksimentiev.

"Även om vi har en lång väg kvar att gå, detta arbete belyser den enorma potentialen hos syntetiska DNA-nanostrukturer med möjliga tillämpningar för personliga läkemedel och terapier för en mängd olika hälsotillstånd i framtiden, sa Ohmann.