DNA-nanoteknologiske værktøjer: Fra design til applikationer: Aktuelle muligheder og samarbejder – Wyss Institute – Harvard University

Hovedopfindere

William Shih Wesley Wong

Fordele

• DNA som byggesten
• Brede applikationer
• Lave omkostninger med stort potentiale

DNA-nanostrukturer med deres potentiale for celle- og vævspermeabilitet, biokompatibilitet og høj programmerbarhed på nanoskalaniveau er lovende kandidater som nye typer lægemiddelleveringsmedier, meget specifikke diagnostiske enheder og værktøjer til at tyde, hvordan biomolekyler dynamisk ændrer deres former og interagerer med hinanden og med kandidatstoffer. Wyss Institute-forskere leverer en række forskellige, multifunktionelle DNA-nanoteknologiske værktøjer med unikke muligheder og potentiale for en bred vifte af kliniske og biomedicinske forskningsområder.

DNA nanoteknologiske anordninger til terapeutisk lægemiddellevering

DNA-nanostrukturer har fremtidigt potentiale til at blive bredt brugt til at transportere og præsentere en række biologisk aktive molekyler såsom lægemidler og immunforstærkende antigener og adjuvanser til målceller og væv i den menneskelige krop.

DNA-origami som højpræcisionsleveringskomponenter af kræftvacciner

Wyss Institute har udviklet kræftvacciner at forbedre immunterapier. Disse tilgange bruger implanterbare eller injicerbare biomateriale-baserede stilladser, der præsenterer tumorspecifikke antigener, og biomolekyler, der tiltrækker dendritiske immunceller (DC'er) ind i stilladset og aktiverer dem, så de efter deres frigivelse kan orkestrere anti-tumor-T-celle-responser mod tumorer bærer de samme antigener. For at blive aktiveret mest effektivt skal DC'er sandsynligvis opleve tumorantigener og immunforstærkende CpG-adjuvansmolekyler i særlige forhold (støkiometrier) og konfigurationer, der registrerer med tætheden og fordelingen af ​​receptormolekyler på deres celleoverflade.

Specielt udviklet DNA-origami, programmeret til at samles i stive firkantede gitterblokke at co-præsentere tumorantigener og adjuvanser til DC'er i biomateriale stilladser med nanoskala præcision har potentialet til at øge effektiviteten af ​​terapeutiske cancervacciner og kan funktionaliseres yderligere med anti-cancer lægemidler.

Kemisk modifikationsstrategi for at beskytte lægemiddelleverende DNA-nanostrukturer

DNA-nanostrukturer såsom selvsamlende DNA-origami er lovende midler til levering af lægemidler og diagnostik. De kan funktionaliseres fleksibelt med lægemidler med små molekyler og proteiner, samt funktioner, der letter deres levering til specifikke målceller og væv. Men deres potentiale hæmmes af deres begrænsede stabilitet i kroppens væv og blod. For at hjælpe med at opfylde det ekstraordinære løfte om DNA-nanostrukturer udviklede Wyss-forskere en nem, effektiv og skalerbar kemisk tværbindingstilgang som kan give DNA-nanostrukturer den stabilitet, de har brug for som effektive midler til lægemidler og diagnostik.

I to enkle omkostningseffektive trin bruger Wyss' tilgang først en lille molekyle, diskret neutraliseringsmiddel, PEG-oligolysin, der bærer flere positive ladninger, for at dække DNA-origami-strukturer. I modsætning til almindeligt anvendte Mg²⁺ioner, der hver kun neutraliserer to negative ændringer i DNA-strukturer, dækker PEG-oligolysin flere negative ladninger på én og danner således et stabilt "elektrostatisk net", som øger stabiliteten af ​​DNA-nanostrukturer omkring 400 gange. Derefter ved at anvende en kemisk tværbinding reagens kendt som glutaraldehyd, introduceres yderligere stabiliserende bindinger i det elektrostatiske net, hvilket øger stabiliteten af ​​DNA-nanostrukturer med yderligere 250 gange, hvilket forlænger deres halveringstid til et område, der er kompatibelt med en bred vifte af kliniske anvendelser.

DNA nanoteknologiske enheder som ultrafølsomme diagnostiske og analytiske værktøjer

Generering af påviselige DNA-nanostrukturer som reaktion på en sygdom eller patogenspecifikke nukleinsyrer tilbyder i princippet et middel til yderst effektiv biomarkørdetektion i forskellige prøver. En enkelt molekylebindingshændelse af et syntetisk oligonukleotid til en målnukleinsyre kan danne kerner i skabelsen af ​​meget større strukturer ved den kooperative samling af mindre syntetiske DNA-enheder som DNA-fliser eller mursten til større strukturer, som derefter kan visualiseres i simple laboratorieassays. En central hindring for disse tilgange er imidlertid forekomsten af ​​(1) ikke-specifik binding og (2) ikke-specifikke nukleationshændelser i fravær af en specifik målnukleinsyre, hvilket kan føre til falsk-positive resultater. Wyss DNA nanoteknologer har udviklet to separat anvendelige, men kombinerbare løsninger til disse problemer.

Digital tælling af biomarkørmolekyler med DNA nanoswitch catenaner

For at muliggøre den indledende detektion (binding) af biomarkører med ultrahøj sensitivitet og specificitet, har Wyss-forskere udviklet en type DNA-nanoswitch, der er designet som en større catenan (latin. catenabetyder kæde), er samlet af mekanisk sammenkoblede ringformede understrukturer med specifikke funktionaliteter, der tilsammen muliggør påvisning og tælling af enkelte biomarkørmolekyler. I "DNA Nanoswitch Catenane"-strukturen er begge ender af en længere syntetisk DNA-streng forbundet til to antistoffragmenter, der hver især binder forskellige dele af det samme biomarkørmolekyle af interesse, hvilket giver mulighed for høj målspecificitet og sensitivitet.

Denne brohændelse får strengen til at lukke sig ind i en "værtsring", som den er sammenlåst i forskellige regioner med forskellige "gæsteringe." Lukning af værtsringen skifter gæsteringene til en konfiguration, der tillader syntese af en ny DNA-streng. Den nyligt syntetiserede diagnostiske streng kan derefter entydigt detekteres som et enkelt digitalt molekyletal, mens afbrydelse af antistoffragmentet/biomarkørkomplekset starter en ny biomarkørtællingscyklus. Både målbindingsspecificiteten og syntesen af ​​en målspecifik DNA-streng muliggør også kombinationen af ​​flere DNA-nanoswitch-catenaner til samtidig at tælle forskellige biomarkørmolekyler i en enkelt multiplekset reaktion.

Til ultrasensitiv diagnostik er det ønskeligt at have den hurtigste amplifikation og den laveste hastighed af falsk nukleation. DNA-nanoteknologiske tilgange har potentialet til at levere dette på en enzymfri, billig måde.

WILLIAM SHIH

En hurtig amplifikationsplatform til forskellige biomarkører

A hurtig, billig og enzymfri detektions- og amplifikationsplatform undgår uspecifik nukleering og amplifikation og tillader selvsamling af meget større mikronskalastrukturer fra et enkelt frø på få minutter. Metoden, kaldet "Detektion af nanofrø på kryds og tværs” muliggør den ultra-samarbejdsvillige samling af bånd, der starter fra en enkelt biomarkørbindingshændelse. Strukturerne i mikronskala er tæt vævet af enkeltstrengede "DNA-lameller", hvorved en indgående lamel slanger sig over og under seks eller flere tidligere fangede lameller på en voksende båndende på en "krydsgående" måde og danner svage, men meget specifikke interaktioner med dets interagerende DNA-lameller. Nukleeringen af ​​samlingsprocessen er strengt mål-frø-specifik, og samlingen kan udføres i en et-trins reaktion på ca. 15 minutter uden tilsætning af yderligere reagenser og over et bredt temperaturområde. Ved hjælp af standard laboratorieudstyr kan de samlede strukturer derefter hurtigt visualiseres eller på anden måde detekteres, for eksempel ved brug af high-throughput fluorescenspladelæserassays.

NUVÆRENDE MULIGHED – OPSTART

På kryds og tværs af nanofrødetektion: Nanoteknologi-drevet diagnostik af infektionssygdomme

Enzymfri DNA-nanoteknologi til hurtig, ultrafølsom og billig påvisning af biomarkører for infektionssygdomme med bred tilgængelighed i point-of-care-miljøer.

DNA-samlingsprocessen i Crisscross Nanoseed Detection-metoden kan også kædes sammen med virkningen af ​​DNA-nanoswitch-catenaner, der meget specifikt detekterer et biomarkørmolekyle, der fører til bevarelse af en molekylær registrering. Hver overlevende registrering kan danne kerner til samlingen af ​​en krydskryds nanostruktur, der kombinerer højspecificitetsbinding med amplifikation til biomarkørdetektion.

Wyss-forskere udvikler i øjeblikket tilgangen som en multipleksbar billig diagnostik for COVID-19, der forårsager SARS-CoV-2-virus og andre patogener, der kan give nøjagtige resultater hurtigere og til lavere omkostninger end de nuværende anvendte teknikker.

Nanoskalaenheder til at bestemme strukturen og identiteten af ​​proteiner på enkeltmolekyleniveau

Evnen til at identificere og kvantificere proteiner fra biologiske sporprøver ville have en dyb indvirkning på både grundforskning og klinisk praksis, fra overvågning af ændringer i proteinekspression i individuelle celler til at muliggøre opdagelsen af ​​nye biomarkører for sygdom. Ydermere ville evnen til også at bestemme deres strukturer og interaktioner åbne nye veje for lægemiddelopdagelse og karakterisering. I løbet af de sidste årtier har udviklingen inden for DNA-analyse og -sekventering utvivlsomt revolutioneret medicinen - alligevel er tilsvarende udviklinger for proteinanalyse fortsat en udfordring. Mens metoder som massespektrometri til proteinidentifikation og cryoEM til strukturbestemmelse har udviklet sig hurtigt, er der stadig udfordringer med hensyn til opløsning og evnen til at arbejde med spor af heterogene prøver.

For at hjælpe med at imødekomme denne udfordring har forskere ved Wyss Institute udviklet en ny tilgang, der kombinerer DNA-nanoteknologi med enkelt-molekyle manipulation for at muliggøre strukturel identifikation og analyse af proteiner og andre makromolekyler. "DNA Nanoswitch Calipers" (DNC'er) tilbyder en højopløsningstilgang til "fingeraftryksproteiner" ved at måle afstande og bestemme geometrier inden for enkelte proteiner i opløsning. DNC'er er nanoenheder designet til at måle afstande mellem DNA-håndtag, der er blevet knyttet til målmolekyler af interesse. DNC-tilstande kan aktiveres og udlæses vha enkelt-molekyle kraftspektroskopi, hvilket gør det muligt at foretage flere absolutte afstandsmålinger på hvert enkelt molekyle.

DNC'er kunne i vid udstrækning tilpasses til at fremme forskning inden for forskellige områder, herunder strukturel biologi, proteomik, diagnostik og lægemiddelopdagelse.

Alle teknologier er under udvikling og tilgængelige for industrisamarbejde.

.wordads-ad-wrapper { display:none; skrifttype: normal 11px Arial, sans-serif; bogstavmellemrum: 1px; tekst-dekoration: ingen; bredde: 100%; margin: 25px auto; polstring: 0; } .wordads-ad-title { margin-bottom: 5px; } .wordads-ad-controls { margin-top: 5px; tekst-align: højre; } .wordads-ad-controls span { cursor: pointer; } .wordads-ad { width: fit-content; margin: 0 auto; }

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://genesisnanotech.wordpress.com/2023/01/16/dna-nanotechnology-tools-from-design-to-applications-current-opportunities-and-collaborations-wyss-institute-harvard-university/