Forskare från Jyväskylä universitet och Aalto-universitetet i Finland har utvecklat en skräddarsydd DNA-nanostruktur som kan utföra en fördefinierad uppgift under människokroppsliknande förhållanden. Att göra så, teamet byggde en kapselliknande bärare som öppnar och stänger enligt pH-nivån i den omgivande lösningen. Nanokapseln kan laddas – eller packas – med en mängd olika laster, stängd för leverans och öppnades igen genom en subtil pH-höjning.

Funktionen hos DNA-nanokapseln är baserad på pH-känsliga DNA-rester.

För att få detta att hända, teamet designade en kapselliknande DNA-origamistruktur funktionaliserad med pH-känsliga DNA-strängar. Sådana dynamiska DNA-nanodesigner styrs ofta av den enkla vätebindningen av två komplementära DNA-sekvenser. Här, ena halvan av kapseln var utrustad med specifika dubbelsträngade DNA-domäner som ytterligare kunde bilda en DNA-trippelhelix – med andra ord en spiralstruktur bestående av tre, inte bara två DNA-molekyler – genom att fästa till ett lämpligt enkelsträngat DNA i den andra halvan.

"Triplexbildningen kan bara ske när lösningens omgivande pH är rätt. Vi kallar dessa pH-känsliga strängar för 'pH-lås, ' för när trådarna interagerar, de fungerar på samma sätt som sina makroskopiska motsvarigheter och låser kapseln i ett stängt tillstånd. Vi inkluderade flera motiv i vår kapseldesign för att underlätta kapselöppning/stängning baserat på samarbetsbeteende hos spärrarna. Öppnandet av kapseln är faktiskt mycket snabbt och kräver endast en liten pH-höjning i lösningen, " förklarar första författaren till studien, doktorand Heini Ijäs från Nanoscience Center vid universitetet i Jyväskylä..

Nanopartiklar och enzymer kunde laddas och kapslas in i kapslarna

För att utnyttja nanokapslarna för att transportera molekylära nyttolaster eller terapeutiska ämnen, teamet designade kapseln med en hålighet som kunde vara värd för olika material. De visade att både guldnanopartiklar och enzymer kunde laddas (högt pH) och kapslas in i kapslarna (lågt pH) och återigen visas (högt pH). Genom att övervaka enzymaktiviteten, forskarna fann att lasten förblev fullt fungerande under processens gång.

"Det mest spännande med DNA-origamikapslarna är att tröskelvärdet för pH vid vilket öppningen och stängningen sker är helt justerbar genom att välja bassekvenserna för pH-spärrarna. Vi designade tröskelvärdet för pH-värdet 7,2-7,3, nära blodets pH. I framtiden, denna typ av läkemedelsbärare skulle kunna optimeras för att selektivt öppnas inuti specifika cancerceller, som kan bibehålla ett högre pH än normala friska, säger Veikko Linko, Adjungerad professor vid Aalto-universitetet.

Ytterligare, kapslarna förblev funktionella vid fysiologiska magnesium- och natriumkoncentrationer, och i 10 procent blodplasma, och kan fortsätta att göra vid ännu högre plasmakoncentrationer. Tillsammans, dessa fynd hjälper till att bana väg för utveckling av smarta och fullt programmerbara läkemedelsleveransfordon för nanomedicin.