Ett nytt sätt att bygga membrankorsande porer, använder legoliknande DNA-byggstenar, har utvecklats av forskare vid UCL, i samarbete med kollegor vid University of Cambridge och University of Southampton.
Tillvägagångssättet ger ett enkelt och billigt verktyg för syntetisk biologi och tekniken har potentiella tillämpningar inom diagnostiska apparater och läkemedelsupptäckt. Forskningen presenteras i det aktuella numret av tidskriften Angewandte Chemie .
Membranporer är portarna som styr transporten av väsentliga molekyler över de annars ogenomträngliga membranen som omger celler i levande organismer. Vanligtvis gjord av proteiner, porer av olika storlekar styr flödet av joner och molekyler både och in och ut ur cellen som en del av en organisms metabolism.
Vår förståelse av membranporer kommer både från studiet av båda naturliga porerna, och från motsvarande strukturer byggda i labbet av syntetiska biologer. Men syntetiska proteiner är notoriskt svåra att hantera på grund av de komplexa och ofta oförutsägbara sätten på vilka deras strukturer kan vikas. Även mindre proteinfalsning ändrar ett proteins egenskaper, vilket innebär att det kan vara riskabelt och tidskrävande att bygga syntetiska porer av proteiner.
Ett enklare tillvägagångssätt är så kallad "rationell ingenjörskonst" med legoliknande DNA-byggstenar. Även om det är allmänt känt som livets genetiska kod, DNA-strängar, som är kemiskt mycket enklare än proteiner, är mycket lättare och mer förutsägbara att arbeta med än proteiner. Som sådana är de ett användbart material för att bygga strukturer i nanoskala i labbet.
"DNA är ett konstruktionsmaterial som följer mycket enkla regler", säger Dr Stefan Howorka (UCL Chemistry). "Nya nanostrukturer kan enkelt designas med hjälp av ett datorprogram, och elementen passar ihop som legoklossar. Så vi kan bygga mer eller mindre vad vi vill. "
Genom att använda detta tillvägagångssätt, teamet byggde ett litet rör som bara mätte 14 nanometer längs och 5,5 nanometer i diameter (cirka 10, 000 gånger mindre än bredden på ett människohår). Detta utgjorde huvuddelen av deras konstgjorda nanopor. Dock, för att föra in röret i ett cellmembran, en viktig utmaning måste hanteras:den vattenlösliga DNA-baserade strukturen kommer inte att bädda in sig i det feta membranet som består av lipider.
För att övervinna detta, forskarna fäste kemiskt två stora ankare till DNA-röret, tillverkad av molekyler som har en naturlig affinitet för lipider. Dessa strukturer kunde sedan bädda in röret i membranet. Dessa strukturer, som är baserade på naturligt härledda porfyriner, designades av en grupp ledd av Dr Eugen Stulz (University of Southampton).
"Porfyrinmolekyler har idealiska egenskaper för våra syften, "Förklarar Stulz." De är ett starkt membranankare, som låser nanoporen säkert i lipidmembranet. Dessutom, de är fluorescerande, vilket innebär att de är lätta att se och studera. Detta gör dem överlägsna andra tekniker."
Porerna karakteriserades med elektriska och fluorescensmätningar i samarbete med Dr Ulrich Keyser (Cavendish Laboratory, Cambridge).
Enkelheten i att självmontera en struktur med endast två ankare (tidigare studier använde 26 eller till och med 72 sådana ankare) effektiviserar avsevärt designen och syntesen av nanoporer.
"I framtiden, denna nya process kommer att göra det möjligt för oss att skräddarsy DNA-nanoporer för ett mycket bredare spektrum av applikationer än vad som för närvarande är möjligt, "Säger Keyser.
Förmågan att skapa syntetiska kanaler genom lipidmembran möjliggör många tillämpningar inom biovetenskapen. I det första fallet, DNA-nanoporer är av stort intresse för biosensing, såsom snabb DNA -analys.
Men skräddarsydda porer kan också förväntas underlätta utvecklingen av nya läkemedel. Prototypläkemedel är vanligtvis utformade för att påverka ett biologiskt mål, men är inte konstruerade för att korsa cellmembranet. Självmonterade porer ger en väg för läkemedel att passera in i celler, möjliggör mycket snabbare preklinisk screening för aktivitet.
