Vissa biokemilaboratorier formar proteiner till komplexa former, konstruera den DNA -nanotekniska motsvarigheten till barock- eller rokokoarkitektur. Yamuna Krishnan, dock, föredrar strukturellt minimalistiska enheter.

"Vårt labs filosofi är en av minimalistisk design, "sa Krishnan, professor i kemi. "Det gränsar till brutalist. Funktionellt med noll klockor och visselpipor. Det finns flera laboratorier som designar DNA till underbara former, men inuti ett levande system, du behöver så lite DNA som möjligt för att få jobbet gjort. "

Det jobbet är att fungera som läkemedelstillförselkapslar eller som biomedicinska diagnostiska verktyg.

Under 2011, Krishnan och hennes grupp, sedan på National Center for Biological Sciences i Bangalore, Indien, blev den första som demonstrerade hur en DNA -nanomaskin fungerar i en levande organism. Denna nanomaskin, kallas I-switch, uppmätt subcellulärt pH med hög noggrannhet. Sedan 2011, Krishnan och hennes team har utvecklat en palett av pH -sensorer, var och en av dem stämde in på målorganellens pH.

Förra sommaren, laget rapporterade en annan prestation:utvecklingen av en DNA -nanosensor som kan mäta den fysiologiska koncentrationen av klorid med hög noggrannhet.

"Yamuna Krishnan är en av de ledande utövarna av biologiskt orienterad DNA -nanoteknik, sa Nadrian Seeman, fadern till fältet och Margaret och Herman Sokol professor i kemi vid New York University. "Dessa typer av intracellulära sensorer är unika för min kunskap, och representerar ett stort framsteg inom området DNA -nanoteknik. "

Kloridsensor

Klorid är den enskilt vanligaste, löslig, negativt laddad molekyl i kroppen. Och ännu tills Krishnan -gruppen introducerade sin kloridsensor - kallad Clensor - fanns det inget effektivt och praktiskt sätt att mäta intracellulära lager av klorid.

"Det som är särskilt intressant med den här sensorn är att den är helt oberoende av pH, "Seeman sa, en betydande avvikelse från Krishnans tidigare plan. "Hon tillbringade ett antal år med att utveckla pH-sensorer som fungerar intracellulärt och ger en fluorescerande signal som en följd av en förändring av pH."

Möjligheten att registrera kloridkoncentrationer är viktig av många skäl. Klorid spelar en viktig roll inom neurobiologi, till exempel. Men kalcium och natrium - båda positivt laddade joner - tenderar att fånga det mesta av den neurobiologiska härligheten på grund av deras roll i neuron excitation.

"Men om du vill att din neuron ska elda igen, du måste återföra det till sitt normala tillstånd. Du måste sluta skjuta, "Sa Krishnan. Detta kallas" neuronal hämning, "vilket klorid gör.

"Det är viktigt för att återställa din neuron för en andra omgång avskjutning, annars skulle vi alla kunna använda våra hjärnor bara en gång, " Hon sa.

Under normala omständigheter, transporten av kloridjoner hjälper kroppen att producera tunna, fritt flytande slem. Men en genetisk defekt resulterar i en livshotande sjukdom:cystisk fibros. Clensors förmåga att mäta och visualisera proteinaktivitet hos molekyler som den som är relaterad till cystisk fibros transmembran kan leda till analyser med hög genomströmning för att undersöka kemikalier som skulle återställa normal funktion av kloridkanalen.

Nio sjukdomar

"Man kan använda detta för att titta på kloridjonkanalaktivitet vid en mängd olika sjukdomar, "Krishnan sa." Människor har nio kloridjonkanaler, och mutationen av var och en av dessa kanaler resulterar i nio olika sjukdomar. "Bland dem finns osteopetros, dövhet, muskeldystrofi och Bests makuladystrofi.

I-switchens pH-avkännande funktioner, under tiden, är viktiga eftersom celler innehåller flera organeller som upprätthåller specifika surhetsvärden. Celler behöver dessa olika mikromiljöer för att utföra specialiserade kemiska reaktioner.

"Varje subcellulär organell har ett specifikt vilovärde av surhet, och att surheten är avgörande för dess funktion, "Sa Krishnan." När pH inte är det värde som det är tänkt att vara, det resulterar i en rad olika sjukdomar. "

Det finns 70 sällsynta sjukdomar som kallas lysosomala lagringsstörningar, som är progressiva och ofta dödliga. Var och en - inklusive Battens sjukdom, Niemann-Pick sjukdom, Pompes sjukdom och Tay-Sachs sjukdom-representerar ett annat sätt en lysosom kan bli dålig på. Hon liknade en defekt lysosom med en soptunna som aldrig töms.

"Lysosomen är i princip ansvarig för att tugga upp allt skräp och se till att det antingen återanvänds eller blir av. Det är den suraste organellen i cellen." Och den surheten är avgörande för nedbrytningsprocessen.

Även om det finns 70 lysosomala lagringssjukdomar, små molekylläkemedel finns tillgängliga för bara några av dem. Dessa befintliga behandlingar-enzymersättningsterapier-är dyra och är endast palliativa behandlingar. Ett mål för Krishnans grupp är att visa användbarheten av deras pH -sensorer för att upptäcka nya biologiska insikter om dessa sjukdomar. Att utveckla små molekylläkemedel - som är strukturellt enklare och lättare att tillverka än traditionella biologiska läkemedel - kan hjälpa avsevärt.

"Om vi ​​kan göra detta för en eller två lysosomala sjukdomar, det kommer att finnas hopp för de andra 68, "Sa Krishnan.