Forskare har tillverkat nanopartiklar av DNA-strängar i två decennier och manipulerat bindningarna som upprätthåller DNA:s dubbelspiralformade form för att skulptera självmonterande strukturer som en dag skulle kunna ha fantastiska medicinska tillämpningar.
Studiet av DNA-nanopartiklar har dock mest fokuserat på deras arkitektur, och förvandlat livets genetiska kod till komponenter för tillverkning av små robotar. Ett par forskare från Iowa State University på avdelningen för genetik, utveckling och cellbiologi – professorn Eric Henderson och nyligen doktorand Chang-Yong Oh – hoppas kunna ändra på det genom att visa att material i nanoskala av DNA kan förmedla sina inbyggda genetiska instruktioner.
"Hintills har de flesta människor utforskat DNA-nanopartiklar ur ett tekniskt perspektiv. Lite uppmärksamhet har ägnats åt informationen i dessa DNA-strängar," sa Oh.
I en nyligen publicerad artikel publicerad i tidskriften Scientific Reports , beskrev Henderson och Oh hur de konstruerade DNA-nanopartiklar som kan uttrycka genetisk kod. Att ha genbärande kapacitet ökar potentialen för DNA-nanoteknik.
"Dessa strukturer kan vara både bäraren och läkemedlet," sa Henderson.
Henderson och Oh sa att de är bland de första forskarlagen i världen att skapa en DNA-nanopartikel som uttrycker dess genetiska kod. Iowa State University Research Foundation lämnade in en patentansökan kopplad till forskningen 2023.
Henderson kom till Iowa State 1987, men i 14 år splittrade han sin tid när han byggde ett startup som heter BioForce Nanosciences. Efter att ha återvänt till Iowa State på heltid 2008 började han arbeta på DNA-origami – en nyutvecklad metod för att skapa självmonterande komplexa nanostrukturer från långa enkla DNA-strängar.
Henderson och en före detta doktorand – Divita Mathur, nu biträdande professor vid Case Western University – designade en nanomaskin biosensor som kunde upptäcka patogener.
Det arbetet lämnade en kvardröjande tanke:Hur är det med generna som dessa strukturer bär på? Kan DNA-origami uttrycka den genetiska informationen integrerad i sig själv?
Det första steget var att ta reda på hur man skapar DNA-origami med enstaka strängar som har specifika genetiska sekvenser, i motsats till strängarna som traditionellt används för att skapa nanopartiklar.
Det tog ett par år. Nästa steg var att bestämma om RNA-polymeras, ett enzym för att göra RNA-molekyler från DNA-koder, kunde navigera i de omfattande vecken av DNA-origami, sa Henderson. En särskild oro var huruvida polymeras skulle blockeras av korsningar, förbindelserna där långa DNA-strängar är sammankopplade med korta bitar av DNA som kallas häftklammer.
"Det visar sig att de inte är det, vilket är kontraintuitivt," sa Henderson.
Även om korsningar och komplex arkitektur inte stoppar transkriptionsprocessen som gör RNA, påverkar designen av en DNA-nanostruktur inte transkriptionseffektiviteten. Täta strukturer producerar mindre RNA, vilket innebär att nanopartikeldesign kan finjusteras för att hämma eller främja avsedda funktioner, sa Oh.
"Vi skulle kunna skapa ett effektivt, riktat leveranssystem som har potential inom många områden, inklusive cancerterapi", sa han.
Potentialen för precision är en del av det som gör DNA-nanopartiklar till en spännande möjlighet, sa Henderson.
"Genredigering är otroligt kraftfull, men en av de svåraste delarna med att redigera gener är att bara redigera de gener du vill redigera. Så det är drömmen, att finessera dessa nanopartiklar för att rikta in sig på vissa celler och vävnader", sa han.
Men DNA-nanopartiklar har andra stora fördelar. De är lätta att göra, billiga och hållbara. Att göra nanopartiklar självmonterande är lika enkelt som att värma en blandning och låta den svalna, utan att någon speciell utrustning behövs, sa Oh.
Delvis tack vare DNA-forskningens spridning är strängar och häftklamrar billiga att producera. Trots att de använder dem dagligen arbetar Henderson och Oh fortfarande igenom ett paket med häftklamrar som köptes från en Coralville-tillverkare för flera år sedan för några hundra dollar.
Och komponenterna, som kan lagras som ett pulver, har lång hållbarhet, även under de mest utmanande förhållanden, sa Henderson. Det är en teknik som lätt kan spridas.
"DNA är mycket stabilt. Det har återvunnits från prover som är mer än 1 miljon år gamla", sa han.
Mer information: Chang Yong Oh et al, In vitro-transkription av självmonterande DNA-nanopartiklar, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-39777-0
Tillhandahålls av Iowa State University
