Ученые создавали наночастицы из нитей ДНК в течение двух десятилетий, манипулируя связями, поддерживающими двойную спиральную форму ДНК, для создания самоорганизующихся структур, которые когда-нибудь смогут найти потрясающее медицинское применение.
Однако изучение наночастиц ДНК было сосредоточено в основном на их архитектуре, превращая генетический код жизни в компоненты для изготовления крошечных роботов. Пара исследователей из Университета штата Айова с факультета генетики, развития и клеточной биологии — профессор Эрик Хендерсон и недавний аспирант Чан-Ён О — надеются изменить это, показав, что наноразмерные материалы, состоящие из ДНК, могут передавать встроенные генетические инструкции.
«До сих пор большинство людей исследовали наночастицы ДНК с инженерной точки зрения. Мало внимания уделялось информации, содержащейся в этих нитях ДНК», — сказал Чан-Ён О.
В недавней статье, опубликованной в журнале Scientific Reports, Хендерсон и Чан-Ён О описали, как они создали наночастицы ДНК, способные выражать генетический код. Наличие генной способности увеличивает потенциал нанотехнологии ДНК.
«Эти структуры могут быть как носителем, так и лекарством», — сказал Хендерсон.
Хендерсон и Чан-Ён О заявили, что они являются одними из первых исследовательских групп в мире, создавших наночастицу ДНК, которая выражает ее генетический код.
Хендерсон приехал в штат Айова в 1987 году, но в течение 14 лет занимался созданием стартапа под названием BioForce Nanosciences. Вернувшись на полную ставку в штат Айова в 2008 году, он начал работать над ДНК-оригами — недавно разработанным методом создания самособирающихся сложных наноструктур из длинных одиночных нитей ДНК.
Хендерсон и бывшая аспирантка Дивита Матур, ныне доцент Университета Кейс Вестерн, разработали наномашинный биосенсор, способный обнаруживать патогены.
Эта работа оставила нерешительную мысль: а как насчет генов, которые несут эти структуры? Может ли ДНК-оригами выражать интегрированную в себя генетическую информацию?
Первым шагом было выяснить, как создавать ДНК-оригами с одиночными нитями, имеющими определенные генетические последовательности, в отличие от нитей, традиционно используемых для создания наночастиц.
Это заняло пару лет. Следующим шагом было определение того, сможет ли РНК-полимераза, фермент, создающий молекулы РНК из кодов ДНК, перемещаться по обширным складкам ДНК-оригами, сказал Хендерсон. Особое беспокойство вызывало то, будет ли полимераза блокироваться кроссоверами — местами соединения длинных нитей ДНК с помощью коротких участков ДНК, называемых скобами.
«Оказывается, это не так, что противоречит здравому смыслу», — сказал Хендерсон.
Хотя кроссоверы и сложная архитектура не останавливают процесс транскрипции образования РНК, конструкция наноструктуры ДНК влияет на эффективность транскрипции. Плотные структуры производят меньше РНК, а это означает, что конструкция наночастиц может быть точно настроена для ингибирования или стимулирования намеченных функций, сказал Чан-Ён О.
«Мы могли бы создать эффективную, целенаправленную систему доставки, которая имеет потенциал во многих областях, включая терапию рака», — сказал он.
По словам Хендерсона, потенциал точности является частью того, что делает наночастицы ДНК захватывающей возможностью.
«Редактирование генов — это невероятно мощный инструмент, но одна из самых сложных частей редактирования генов — это редактирование только тех генов, которые вы хотите редактировать. Так что это мечта — усовершенствовать эти наночастицы, чтобы нацеливаться на определенные клетки и ткани», — сказал он.
Однако наночастицы ДНК имеют и другие важные преимущества. Они просты в изготовлении, недороги и долговечны. По словам Чан-Ён О, заставить наночастицы самособираться так же просто, как нагреть смесь и дать ей остыть, без необходимости специального оборудования.
Отчасти благодаря повсеместному распространению исследований ДНК, производство нитей и скобок обходится недорого. Несмотря на то, что Хендерсон и Чан-Ён О используют их ежедневно, они все еще пробираются через упаковку скоб, купленную у производителя в Коралвилле несколько лет назад за несколько сотен долларов.
А компоненты, которые можно хранить в виде порошка, имеют длительный срок хранения даже в самых сложных условиях, сказал Хендерсон. Это технология, которая может легко распространиться.
«ДНК очень стабильна. Она была извлечена из образцов возрастом более 1 миллиона лет», — сказал он.
