Forskare vid Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard University har utvecklat en robotanordning tillverkad av DNA som potentiellt kan söka specifika cellmål inom en komplex blandning av celltyper och leverera viktiga molekylära instruktioner, som att berätta för cancerceller att förstöra sig själv. Inspirerad av mekaniken i kroppens eget immunsystem, tekniken kan en dag användas för att programmera immunsvar för att behandla olika sjukdomar. Forskningsresultaten visas idag i Vetenskap .

Med hjälp av DNA origami -metoden, där komplexa tredimensionella former och föremål konstrueras av vikande DNA-strängar, Shawn Douglas, Ph.D., en Wyss Technology Development Fellow, och Ido Bachelet, Ph.D., en tidigare Wyss postdoktor som nu är biträdande professor vid fakulteten för biovetenskap och Nano-centret vid Bar-Ilan University i Israel, skapat en nanoserad robot i form av ett öppet fat vars två halvor är förbundna med ett gångjärn. DNA -fatet, som fungerar som en behållare, hålls stängd av speciella DNA-spärrar som kan känna igen och söka efter kombinationer av cell-ytproteiner, inklusive sjukdomsmarkörer. När spärrarna hittar sina mål, de konfigurerar om, får de två halvorna av pipan att svänga upp och avslöja dess innehåll, eller nyttolast. Behållaren kan hålla olika typer av nyttolaster, inklusive specifika molekyler med kodade instruktioner som kan interagera med specifika cellytasignaleringsreceptorer.

Douglas och Bachelet använde detta system för att leverera instruktioner, som kodades i antikroppsfragment, till två olika typer av cancerceller - leukemi och lymfom. I varje fall, budskapet till cellen var att aktivera dess "självmordsbrytare" - en standardfunktion som gör att åldrande eller onormala celler kan elimineras. Och eftersom leukemi och lymfomceller talar olika språk, meddelandena skrevs i olika antikroppskombinationer.

Detta programmerbara nanoterapeutiska tillvägagångssätt modellerades efter kroppens eget immunsystem där vita blodkroppar patrullerar blodomloppet för eventuella tecken på problem. Dessa infektionskämpar kan finslipa på specifika celler i nöd, binda till dem, och överför begripliga signaler till dem till självförstörelse. DNA -nanoroboten emulerar denna specificitetsnivå genom användning av modulära komponenter där olika gångjärn och molekylära meddelanden kan kopplas in och ut ur det underliggande leveranssystemet, mycket som olika motorer och däck kan placeras på samma chassi. Den programmerbara effekten av denna typ av modularitet innebär att systemet har potential att en dag användas för att behandla en mängd olika sjukdomar.

"Vi kan äntligen integrera avkännings- och logiska datorfunktioner via komplexa, ändå förutsägbar, nanostrukturer - några av de första hybriderna av strukturellt DNA, antikroppar, aptamerer och metallklyngar - riktade mot användbara, mycket specifik inriktning på mänskliga cancerformer och T-celler, "sa George Church, Ph.D., en Wyss kärna fakultet medlem och professor i genetik vid Harvard Medical School, som är huvudutredare på projektet.

Eftersom DNA är ett naturligt biokompatibelt och biologiskt nedbrytbart material, DNA -nanoteknik är allmänt erkänt för sin potential som leveransmekanism för läkemedel och molekylära signaler. Men det har varit betydande utmaningar för dess genomförande, till exempel vilken typ av struktur som ska skapas; hur man öppnar, stänga, och öppna den strukturen igen för att infoga, transport, och leverera en nyttolast; och hur man programmerar denna typ av nanoskalrobot.

Genom att kombinera flera nya element för första gången, det nya systemet utgör ett betydande framsteg när det gäller att övervinna dessa genomförandehinder. Till exempel, eftersom den tunnformade strukturen inte har några övre eller nedre lock, nyttolasterna kan laddas från sidan i ett enda steg - utan att först behöva öppna strukturen och sedan stänga igen. Också, medan andra system använder frigöringsmekanismer som svarar på DNA eller RNA, den nya mekanismen som används här svarar på proteiner, som är vanligare på cellytor och som i stor utsträckning är ansvariga för transmembransignalering i celler. Till sist, detta är det första DNA-origami-baserade systemet som använder antikroppsfragment för att förmedla molekylära budskap-en funktion som erbjuder ett kontrollerat och programmerbart sätt att replikera ett immunsvar eller utveckla nya typer av riktade terapier.

"Detta arbete representerar ett stort genombrott inom nanobioteknik, eftersom det visar förmågan att dra nytta av de senaste framstegen inom området DNA -origami som forskare runt om i världen utvecklat, inklusive Wyss Institute egen William Shih, att möta en verklig utmaning, nämligen döda cancerceller med hög specificitet, "sade Wyss Institute grundande direktör, Donald Ingber, M.D., Ph.D. Ingber är också Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid Harvard Medical School och Vascular Biology Program på Children's Hospital Boston, och professor i bioteknik vid Harvards tekniska högskola. "Detta fokus på att översätta teknik från laboratoriet till transformativa produkter och terapier är vad Wyss Institute handlar om."