DNA Nanotechnology Tools: From Design To Applications: Current Opportunities And Collaborations – Wyss Institute

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

DNA nanotehnoloogia seadmete komplekt, mis on loodud selleks, et ületada konkreetsed kitsaskohad uute ravimeetodite väljatöötamisel, diagnostikas ja molekulaarstruktuuride mõistmisel

Juhtivad leiutajad

William Shih Wesley Wong

Eelised

DNA kui ehituskivid
Laiad rakendused
Madalad kulud suure potentsiaaliga

DNA nanotehnoloogia tööriistad: disainist rakendusteni

DNA nanostruktuurid koos nende potentsiaaliga rakkude ja kudede läbilaskvuse, biosobivuse ja suure programmeeritavuse osas nanoskaala tasemel on paljutõotavad kandidaadid kui uut tüüpi ravimite kohaletoimetamise vahendid, väga spetsiifilised diagnostikaseadmed ja vahendid, mis võimaldavad dešifreerida, kuidas biomolekulid dünaamiliselt oma kuju muudavad ja interakteeruvad. omavahel ja kandidaatravimitega. Wyssi Instituudi teadlased pakuvad ainulaadsete võimaluste ja potentsiaaliga mitmekülgsete multifunktsionaalsete DNA nanotehnoloogiliste tööriistade komplekti paljude kliiniliste ja biomeditsiiniliste uurimisvaldkondade jaoks.

DNA nanotehnoloogilised seadmed terapeutiliste ravimite kohaletoimetamiseks

DNA nanostruktuuridel on tulevikus potentsiaali laialdaselt kasutada mitmesuguste bioloogiliselt aktiivsete molekulide, näiteks ravimite ja immuunsüsteemi tugevdavate antigeenide ja adjuvantide transportimiseks ja esitlemiseks inimkeha sihtrakkudesse ja kudedesse.

DNA origami kui vähivaktsiinide ülitäpsed manustamiskomponendid

Wyssi Instituut on arenenud vähivaktsiinid immunoteraapia parandamiseks. Need lähenemisviisid kasutavad implanteeritavaid või süstitavaid biomaterjalil põhinevaid karkasse, mis esitlevad kasvajaspetsiifilisi antigeene, ja biomolekule, mis meelitavad dendriitrakke (DC) karkassi ja aktiveerivad need nii, et pärast vabanemist saavad nad korraldada kasvajavastaseid T-rakkude vastuseid kasvajate vastu. kannavad samu antigeene. Kõige tõhusamaks aktiveerimiseks peavad DC-d tõenäoliselt kogema kasvaja antigeene ja immuunsüsteemi võimendavaid CpG adjuvantmolekule teatud vahekordades (stöhhiomeetria) ja konfiguratsioonides, mis registreerivad retseptori molekulide tiheduse ja jaotumise nende rakupinnal.

Spetsiaalselt välja töötatud DNA origami, programmeeritud kokku panema jäikadeks ruudukujulisteks võreplokkideks kasvaja antigeenide ja adjuvantide koosesitlemine biomaterjalide karkassides nanomõõtmelise täpsusega võib suurendada terapeutiliste vähivaktsiinide efektiivsust ja neid saab täiendavalt funktsionaliseerida vähivastaste ravimitega.

Keemilise modifitseerimise strateegia ravimit edastavate DNA nanostruktuuride kaitsmiseks

DNA nanostruktuurid, nagu isekoosnev DNA origami, on paljulubavad vahendid ravimite ja diagnostika tarnimiseks. Neid saab paindlikult funktsionaliseerida väikeste molekulide ja valgu ravimitega, samuti funktsioonidega, mis hõlbustavad nende kohaletoimetamist konkreetsetesse sihtrakkudesse ja -kudedesse. Kuid nende potentsiaali pärsib nende piiratud stabiilsus keha kudedes ja veres. Et aidata täita DNA nanostruktuuride erakordset lubadust, töötasid Wyssi teadlased välja lihtne, tõhus ja skaleeritav keemilise ristsidumise lähenemisviis mis võivad pakkuda DNA nanostruktuuridele stabiilsust, mida nad vajavad ravimite ja diagnostika tõhusate vahenditena.

Kahes lihtsas kulutõhusas etapis kasutab Wyssi lähenemisviis esmalt a väikese molekuliga, pealetükkimatu neutraliseeriv aine, PEG-oligolüsiin, mis kannab mitmeid positiivseid laenguid, et katta DNA origami struktuure. Erinevalt tavaliselt kasutatavast Mg-st²⁺ioonid, millest igaüks neutraliseerib ainult kaks negatiivset muutust DNA struktuurides, katab PEG-oligolüsiin korraga mitu negatiivset laengut, moodustades seega stabiilse "elektrostaatilise võrgu", mis suurendab DNA nanostruktuuride stabiilsust umbes 400 korda. Seejärel rakendades a keemiline ristsidumine glutaaraldehüüdina tuntud reaktiiv, sisestatakse elektrostaatilisesse võrku täiendavad stabiliseerivad sidemed, mis suurendab DNA nanostruktuuride stabiilsust veel 250 korda, pikendades nende poolestusaega vahemikku, mis sobib paljude kliiniliste rakendustega.

DNA nanotehnoloogilised seadmed kui ultratundlikud diagnostika- ja analüüsivahendid

Tuvastatavate DNA nanostruktuuride genereerimine vastuseks haigusele või patogeenspetsiifilistele nukleiinhapetele pakub põhimõtteliselt vahendit väga tõhusaks biomarkerite tuvastamiseks erinevates proovides. Sünteetilise oligonukleotiidi ühe molekuli sidumine sihtnukleiinhappega võib tuumastada palju suuremate struktuuride loomist väiksemate sünteetiliste DNA üksuste, nagu DNA plaatide või telliste, suuremateks struktuurideks, mida saab seejärel visualiseerida lihtsate laboratoorsete analüüside abil. Siiski on nende lähenemisviiside peamiseks takistuseks (1) mittespetsiifilise seondumise ja (2) mittespetsiifilise tuuma moodustumise sündmuste esinemine spetsiifilise sihtnukleiinhappe puudumisel, mis võib viia valepositiivsete tulemusteni. Wyssi DNA nanotehnoloogid on nende probleemide jaoks välja töötanud kaks eraldi rakendatavat, kuid kombineeritavat lahendust.

Biomarkermolekulide digitaalne loendamine DNA nanolüliti kateenanidega

Et võimaldada ülikõrge tundlikkuse ja spetsiifilisusega biomarkerite esmast tuvastamist (sidumist), on Wyssi teadlased välja töötanud DNA nanolüliti tüübi, mis on kujundatud suurema katenaanina (ladina keeles). catenatähendusahel), on kokku pandud mehaaniliselt lukustatud rõngakujulistest alamstruktuuridest, millel on spetsiifilised funktsioonid, mis koos võimaldavad tuvastada ja loendada üksikuid biomarkermolekule. "DNA Nanoswitch Catenane" struktuuris on pikema sünteetilise DNA ahela mõlemad otsad seotud kahe antikehafragmendiga, millest igaüks seob spetsiifiliselt sama huvipakkuva biomarkermolekuli erinevaid osi, võimaldades seega kõrget sihtmärgi spetsiifilisust ja tundlikkust.

See sildav sündmus põhjustab ahela sulgumise "hostringiks", mis on erinevates piirkondades lukustatud erinevate "külalisrõngastega". Peremeestsükli sulgemine lülitab külalisrõngad konfiguratsiooni, mis võimaldab uue DNA ahela sünteesi. Seejärel saab äsja sünteesitud diagnostilist ahelat üheselt tuvastada ühe digitaalse molekuli loenduna, samal ajal kui antikeha fragmendi/biomarkeri kompleksi katkestamine käivitab uue biomarkerite loendustsükli. Nii sihtmärgi sidumisspetsiifilisus kui ka sihtmärgispetsiifilise DNA ahela süntees võimaldavad ka mitme DNA nanolüliti kateenaani kombinatsiooni, et ühe multipleksitud reaktsiooni käigus üheaegselt lugeda erinevaid biomarkermolekule.

Ultratundliku diagnostika jaoks on soovitav kiireim amplifikatsioon ja madalaim valetuumade moodustumise määr. DNA nanotehnoloogia lähenemisviisidel on potentsiaal pakkuda seda ensüümivabalt ja odavalt.

WILLIAM SHIH

Kiire võimendusplatvorm erinevate biomarkerite jaoks

A kiire, odav ja ensüümivaba tuvastus- ja võimendusplatvorm väldib mittespetsiifilist tuuma moodustumist ja amplifikatsiooni ning võimaldab ühest seemnest palju suuremate mikronimahuliste struktuuride isekoostumist vaid minutitega. Meetod, mida nimetatakse "Ristiülene nanoseemnete tuvastamine” võimaldab paelte ülikooperatiivset kokkupanekut alates ühest biomarkeri sidumissündmusest. Mikronimõõtmelised struktuurid on tihedalt kootud üheahelalistest "DNA-liistudest", kusjuures sissetulev liist libiseb "ristilikult" üle ja alla kuue või enama varem kinnistatud liistule kasvava lindi otsas, moodustades nõrgad, kuid väga spetsiifilised interaktsioonid. oma interakteeruvate DNA-liistudega. Koostamisprotsessi tuumade moodustumine on rangelt sihtkülvspetsiifiline ja kokkupanekut saab läbi viia üheetapilise reaktsioonina umbes 15 minuti jooksul ilma täiendavaid reagente lisamata ja laias temperatuurivahemikus. Standardsete laboriseadmete abil saab kokkupandud struktuure seejärel kiiresti visualiseerida või muul viisil tuvastada, kasutades näiteks suure läbilaskevõimega fluorestsentsplaadilugeja teste.

HETKE VÕIMALUS – KÄIVITAMINE

Ristiülene nanoseemnete tuvastamine: nanotehnoloogiapõhine nakkushaiguste diagnostika

Ensüümivaba DNA nanotehnoloogia nakkushaiguste biomarkerite kiireks, ülitundlikuks ja odavaks tuvastamiseks ning laiaulatuslik juurdepääs hooldepunktides.

Crisscross Nanooseed Detection meetodi DNA kokkupaneku protsessi saab seostada ka DNA nanolüliti kateenanide toimega, mis tuvastavad väga spetsiifiliselt biomarkermolekuli, mis viib molekulaarse rekordi säilimiseni. Iga säilinud rekord võib tuumastada ristuva nanostruktuuri koostu, kombineerides biomarkerite tuvastamiseks kõrge spetsiifilisusega seondumise amplifikatsiooniga.

Wyssi teadlased töötavad praegu välja lähenemisviisi kui COVID-19 põhjustava SARS-CoV-2 viiruse ja muude patogeenide multipleksitavat odavat diagnostikat, mis võiks anda täpseid tulemusi kiiremini ja väiksemate kuludega kui praegu kasutatavad tehnikad.

Nanoskaalaseadmed valkude struktuuri ja identiteedi määramiseks ühemolekuli tasemel

Võimalus identifitseerida ja kvantifitseerida valke bioloogiliste jälgproovide põhjal avaldaks sügavat mõju nii alusuuringutele kui ka kliinilisele praktikale, alates valgu ekspressiooni muutuste jälgimisest üksikutes rakkudes kuni uute haiguste biomarkerite avastamiseni. Lisaks avaks võimalus määrata nende struktuure ja koostoimeid uusi võimalusi ravimite avastamiseks ja iseloomustamiseks. Viimastel aastakümnetel on DNA analüüsi ja sekveneerimise areng meditsiinis vaieldamatult revolutsiooniliselt muutnud, kuid samaväärsed arengud valguanalüüsi jaoks on endiselt väljakutseks. Kuigi sellised meetodid nagu massispektromeetria valkude identifitseerimiseks ja krüoEM struktuuri määramiseks on kiiresti arenenud, on endiselt väljakutseid seoses eraldusvõimega ja võimega töötada heterogeensete proovide jälgedega.

Selle väljakutsega toimetulemiseks on Wyssi Instituudi teadlased välja töötanud uue lähenemisviisi, mis ühendab DNA nanotehnoloogia ühe molekuliga manipuleerimisega, et võimaldada valkude ja muude makromolekulide struktuurset tuvastamist ja analüüsi. "DNA nanolüliti nihikud" (DNC) pakuvad kõrge eraldusvõimega lähenemist "sõrmejälgede valkudele", mõõtes vahemaid ja määrates geomeetriat lahuses olevate üksikute valkude sees. DNC-d on nanoseadmed, mis on ette nähtud huvipakkuvate sihtmolekulide külge kinnitatud DNA käepidemete vahekauguste mõõtmiseks. DNC olekuid saab aktiveerida ja välja lugeda kasutades ühe molekuli jõuspektroskoopia, mis võimaldab igal üksikul molekulil teha mitu absoluutse kauguse mõõtmist.

DNC-sid saab laialdaselt kohandada teadusuuringute edendamiseks erinevates valdkondades, sealhulgas struktuuribioloogia, proteoomika, diagnostika ja ravimite avastamine.

Kõik tehnoloogiad on väljatöötamisel ja saadaval tööstuse koostööks.

.wordads-ad-wrapper { display:none; font: tavaline 11px Arial, sans-serif; tähevahe: 1px; tekst-kaunistus: puudub; laius: 100%; veeris: 25px auto; polsterdus: 0; } .wordads-ad-title { margin-bottom: 5px; } .wordads-ad-controls { margin-top: 5px; teksti joondamine: paremale; } .wordads-ad-controls span { kursor: pointer; } .wordads-ad { width: fit-content; marginaal: 0 auto; }