डीएनए नैनोटेक्नोलॉजी टूल्स: फ्रॉम डिजाइन टू एप्लीकेशन्स: करंट अपॉर्च्युनिटीज एंड कोलैबोरेशन्स - वाइस इंस्टिट्यूट - हार्वर्ड यूनिवर्सिटी

अग्रणी आविष्कारक

विलियम शिह वेस्ली वोंग

फायदे

• बिल्डिंग ब्लॉक्स के रूप में डीएनए
• व्यापक अनुप्रयोग
• बड़ी संभावनाओं के साथ कम लागत

सेल और ऊतक पारगम्यता, बायोकम्पैटिबिलिटी और नैनोस्केल स्तर पर उच्च प्रोग्रामेबिलिटी के लिए अपनी क्षमता के साथ डीएनए नैनोस्ट्रक्चर नए प्रकार के दवा वितरण वाहनों, अत्यधिक विशिष्ट नैदानिक ​​​​उपकरणों और यह समझने के लिए उपकरण के रूप में आशाजनक उम्मीदवार हैं कि बायोमोलेक्यूल्स गतिशील रूप से अपने आकार कैसे बदलते हैं, और कैसे बातचीत करते हैं। एक दूसरे के साथ और उम्मीदवार दवाओं के साथ। वाइस इंस्टीट्यूट के शोधकर्ता क्लिनिकल और बायोमेडिकल अनुसंधान क्षेत्रों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए अद्वितीय क्षमताओं और क्षमता वाले विविध, बहुक्रियाशील डीएनए नैनोटेक्नोलॉजिकल उपकरणों का एक सूट प्रदान कर रहे हैं।

चिकित्सीय दवा वितरण के लिए डीएनए नैनोटेक्नोलॉजिकल उपकरण

डीएनए नैनोस्ट्रक्चर में भविष्य में मानव शरीर में कोशिकाओं और ऊतकों को लक्षित करने के लिए दवाओं और प्रतिरक्षा बढ़ाने वाले एंटीजन और सहायक जैसे विभिन्न जैविक रूप से सक्रिय अणुओं को परिवहन और प्रस्तुत करने के लिए व्यापक रूप से उपयोग किए जाने की क्षमता है।

कैंसर टीकों के उच्च परिशुद्धता वितरण घटकों के रूप में डीएनए ओरिगेमी

Wyss संस्थान ने विकसित किया है कैंसर के टीके इम्युनोथैरेपी में सुधार करने के लिए। ये दृष्टिकोण इम्प्लांटेबल या इंजेक्टेबल बायोमटेरियल-आधारित मचानों का उपयोग करते हैं जो ट्यूमर-विशिष्ट एंटीजन और बायोमोलेक्यूल्स पेश करते हैं जो डेंड्राइटिक प्रतिरक्षा कोशिकाओं (डीसी) को मचान में आकर्षित करते हैं, और उन्हें सक्रिय करते हैं ताकि उनकी रिहाई के बाद वे ट्यूमर के खिलाफ एंटी-ट्यूमर टी सेल प्रतिक्रियाओं को व्यवस्थित कर सकें। समान एंटीजन ले जाना। सबसे प्रभावी ढंग से सक्रिय होने के लिए, डीसी को ट्यूमर एंटीजन और प्रतिरक्षा-बढ़ाने वाले सीपीजी सहायक अणुओं को विशेष अनुपात (स्टोइकोमेट्रीज़) और कॉन्फ़िगरेशन पर अनुभव करने की आवश्यकता होती है जो उनके सेल सतह पर रिसेप्टर अणुओं के घनत्व और वितरण के साथ पंजीकृत होते हैं।

विशेष रूप से विकसित डीएनए ओरिगेमी, कठोर वर्गाकार-जाली ब्लॉकों में इकट्ठा होने के लिए प्रोग्राम किया गया नैनोस्केल परिशुद्धता के साथ बायोमटेरियल मचान के भीतर डीसी में सह-वर्तमान ट्यूमर एंटीजन और सहायक, चिकित्सीय कैंसर टीकों की प्रभावकारिता को बढ़ावा देने की क्षमता रखते हैं, और कैंसर विरोधी दवाओं के साथ इसे और अधिक क्रियाशील किया जा सकता है।

दवा पहुंचाने वाले डीएनए नैनोस्ट्रक्चर की सुरक्षा के लिए रासायनिक संशोधन रणनीति

स्वयं-संयोजन डीएनए ओरिगेमी जैसे डीएनए नैनोस्ट्रक्चर दवाओं और निदान की डिलीवरी के लिए आशाजनक माध्यम हैं। उन्हें छोटे अणु और प्रोटीन दवाओं के साथ लचीले ढंग से कार्यात्मक बनाया जा सकता है, साथ ही ऐसी विशेषताएं भी हैं जो विशिष्ट लक्ष्य कोशिकाओं और ऊतकों तक उनकी डिलीवरी की सुविधा प्रदान करती हैं। हालाँकि, शरीर के ऊतकों और रक्त में उनकी सीमित स्थिरता के कारण उनकी क्षमता बाधित होती है। डीएनए नैनोस्ट्रक्चर के असाधारण वादे को पूरा करने में मदद करने के लिए, Wyss शोधकर्ताओं ने एक विकसित किया आसान, प्रभावी और स्केलेबल रासायनिक क्रॉस-लिंकिंग दृष्टिकोण जो डीएनए नैनोस्ट्रक्चर को दवाओं और निदान के लिए प्रभावी माध्यम के रूप में आवश्यक स्थिरता प्रदान कर सकता है।

दो सरल लागत-प्रभावी चरणों में, Wyss का दृष्टिकोण सबसे पहले एक का उपयोग करता है छोटे-अणु, विनीत निष्क्रिय करने वाला एजेंट, पीईजी-ऑलिगोलिसिन, जो डीएनए ओरिगेमी संरचनाओं को कवर करने के लिए कई सकारात्मक चार्ज रखता है। आमतौर पर इस्तेमाल किये जाने वाले एमजी के विपरीत²⁺आयन जो प्रत्येक डीएनए संरचनाओं में केवल दो नकारात्मक परिवर्तनों को बेअसर करते हैं, पीईजी-ऑलिगोलिसिन एक साथ कई नकारात्मक चार्ज को कवर करता है, इस प्रकार एक स्थिर "इलेक्ट्रोस्टैटिक नेट" बनाता है, जो डीएनए नैनोस्ट्रक्चर की स्थिरता को लगभग 400 गुना बढ़ा देता है। फिर, a लगाकर रासायनिक क्रॉस-लिंकिंग अभिकर्मक जिसे ग्लूटाराल्डिहाइड के रूप में जाना जाता है, अतिरिक्त स्थिरीकरण बांड को इलेक्ट्रोस्टैटिक नेट में पेश किया जाता है, जो डीएनए नैनोस्ट्रक्चर की स्थिरता को 250 गुना तक बढ़ा देता है, जिससे उनका आधा जीवन एक ऐसी सीमा तक बढ़ जाता है जो नैदानिक ​​​​अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के साथ संगत है।

अल्ट्रासेंसिटिव डायग्नोस्टिक और विश्लेषणात्मक उपकरण के रूप में डीएनए नैनोटेक्नोलॉजिकल डिवाइस

किसी बीमारी या रोगज़नक़-विशिष्ट न्यूक्लिक एसिड के जवाब में पता लगाने योग्य डीएनए नैनोस्ट्रक्चर की पीढ़ी, सिद्धांत रूप में, विविध नमूनों में अत्यधिक प्रभावी बायोमार्कर का पता लगाने का एक साधन प्रदान करती है। लक्ष्य न्यूक्लिक एसिड के लिए सिंथेटिक ऑलिगोन्यूक्लियोटाइड का एक एकल अणु बंधन घटना डीएनए टाइल्स या ईंटों जैसी छोटी सिंथेटिक डीएनए इकाइयों की सहकारी असेंबली द्वारा बड़ी संरचनाओं के निर्माण को न्यूक्लियेट कर सकती है जिसे तब सरल प्रयोगशाला परीक्षणों में देखा जा सकता है। हालाँकि, इन दृष्टिकोणों में एक केंद्रीय बाधा एक विशिष्ट लक्ष्य न्यूक्लिक एसिड की अनुपस्थिति में (1) गैर-विशिष्ट बंधन और (2) गैर-विशिष्ट न्यूक्लिएशन घटनाओं की घटना है, जिससे गलत-सकारात्मक परिणाम हो सकते हैं। Wyss DNA नैनोटेक्नोलॉजिस्ट ने इन समस्याओं के लिए दो अलग-अलग लागू लेकिन संयोजन योग्य समाधान विकसित किए हैं।

डीएनए नैनोस्विच कैटेनेन्स के साथ बायोमार्कर अणुओं की डिजिटल गिनती

अति-उच्च संवेदनशीलता और विशिष्टता वाले बायोमार्कर की प्रारंभिक पहचान (बाइंडिंग) को सक्षम करने के लिए, Wyss शोधकर्ताओं ने एक प्रकार का डीएनए नैनोस्विच विकसित किया है, जिसे एक बड़े कैटेनेन (लैटिन) के रूप में डिज़ाइन किया गया है श्रृंखलाअर्थ श्रृंखला), विशिष्ट कार्यात्मकताओं के साथ यांत्रिक रूप से इंटरलॉक किए गए रिंग-आकार के सबस्ट्रक्चर से इकट्ठा किया जाता है जो एक साथ एकल बायोमार्कर अणुओं का पता लगाने और गिनती करने में सक्षम बनाता है। "डीएनए नैनोस्विच कैटेनेन" संरचना में, एक लंबे सिंथेटिक डीएनए स्ट्रैंड के दोनों सिरे दो एंटीबॉडी टुकड़ों से जुड़े होते हैं जो प्रत्येक विशेष रूप से रुचि के एक ही बायोमार्कर अणु के विभिन्न हिस्सों को बांधते हैं, इस प्रकार उच्च लक्ष्य विशिष्टता और संवेदनशीलता की अनुमति देते हैं।

यह ब्रिजिंग-घटना स्ट्रैंड को "मेज़बान रिंग" में बंद करने का कारण बनती है, जिसे यह अलग-अलग क्षेत्रों में अलग-अलग "अतिथि रिंग" के साथ इंटरलॉक करता है। होस्ट रिंग को बंद करने से गेस्ट रिंग एक कॉन्फ़िगरेशन में बदल जाती है जो एक नए डीएनए स्ट्रैंड के संश्लेषण की अनुमति देती है। नव संश्लेषित डायग्नोस्टिक स्ट्रैंड को एकल डिजिटल अणु गणना के रूप में स्पष्ट रूप से पहचाना जा सकता है, जबकि एंटीबॉडी टुकड़े/बायोमार्कर कॉम्प्लेक्स को बाधित करने से एक नया बायोमार्कर गिनती चक्र शुरू होता है। दोनों, लक्ष्य बाइंडिंग विशिष्टता और लक्ष्य-विशिष्ट डीएनए स्ट्रैंड का संश्लेषण एक ही मल्टीप्लेक्स प्रतिक्रिया में विभिन्न बायोमार्कर अणुओं को एक साथ गिनने के लिए एकाधिक डीएनए नैनोस्विच कैटेनैन के संयोजन को भी सक्षम बनाता है।

अति संवेदनशील निदान के लिए, सबसे तेज़ प्रवर्धन और नकली न्यूक्लियेशन की सबसे कम दर होना वांछनीय है। डीएनए नैनोटेक्नोलॉजी दृष्टिकोण में इसे एंजाइम-मुक्त, कम लागत वाले तरीके से वितरित करने की क्षमता है।

विलियम शिह

विविध बायोमार्कर के लिए एक तीव्र प्रवर्धन मंच

A तीव्र, कम लागत और एंजाइम मुक्त पहचान और प्रवर्धन मंच गैर-विशिष्ट न्यूक्लियेशन और प्रवर्धन से बचाता है और कुछ ही मिनटों में एक ही बीज से बहुत बड़े माइक्रोन-स्केल संरचनाओं की स्व-संयोजन की अनुमति देता है। विधि, जिसे "क्रिसक्रॉस नैनोसीड डिटेक्शन” एकल बायोमार्कर बाइंडिंग इवेंट से शुरू होकर रिबन की अल्ट्रा-सहकारी असेंबली को सक्षम बनाता है। माइक्रोन-स्केल संरचनाएं एकल-फंसे हुए "डीएनए स्लैट्स" से सघन रूप से बुनी जाती हैं, जिससे एक इनबाउंड स्लैट सांप "क्रिस्क्रॉस" तरीके से बढ़ते रिबन अंत पर छह या अधिक पहले से कैप्चर किए गए स्लैट्स के ऊपर और नीचे सांप बनाता है, जिससे कमजोर लेकिन अत्यधिक विशिष्ट इंटरैक्शन बनते हैं। इसके इंटरैक्टिंग डीएनए स्लैट्स के साथ। असेंबली प्रक्रिया का न्यूक्लियेशन सख्ती से लक्ष्य-बीज विशिष्ट है और असेंबली को एक-चरणीय प्रतिक्रिया में लगभग 15 मिनट में बिना किसी अन्य अभिकर्मक को शामिल किए और तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में पूरा किया जा सकता है। मानक प्रयोगशाला उपकरणों का उपयोग करके, एकत्रित संरचनाओं को तेजी से देखा जा सकता है या अन्यथा पता लगाया जा सकता है, उदाहरण के लिए, उच्च-थ्रूपुट प्रतिदीप्ति प्लेट रीडर परख का उपयोग करके।

वर्तमान अवसर - स्टार्टअप

क्रिसक्रॉस नैनोसीड डिटेक्शन: नैनोटेक्नोलॉजी-संचालित संक्रामक रोग निदान

पॉइंट-ऑफ-केयर सेटिंग्स में व्यापक पहुंच के साथ संक्रामक रोग बायोमार्कर का तेजी से, अति संवेदनशील और कम लागत में पता लगाने के लिए एंजाइम-मुक्त डीएनए नैनोटेक्नोलॉजी।

क्रिसक्रॉस नैनोसीड डिटेक्शन विधि में डीएनए असेंबली प्रक्रिया को डीएनए नैनोस्विच कैटेनेंस की क्रिया से भी जोड़ा जा सकता है जो विशेष रूप से एक बायोमार्कर अणु का पता लगाता है जिससे आणविक रिकॉर्ड का संरक्षण होता है। प्रत्येक जीवित रिकॉर्ड एक क्रिसक्रॉस नैनोस्ट्रक्चर की असेंबली को न्यूक्लियेट कर सकता है, जो बायोमार्कर का पता लगाने के लिए प्रवर्धन के साथ उच्च-विशिष्टता बंधन को जोड़ता है।

Wyss शोधकर्ता वर्तमान में COVID-19 पैदा करने वाले SARS-CoV-2 वायरस और अन्य रोगजनकों के लिए एक बहुसंकेतन कम लागत वाले निदान के रूप में दृष्टिकोण विकसित कर रहे हैं जो वर्तमान में उपयोग की जाने वाली तकनीकों की तुलना में तेजी से और कम लागत पर सटीक परिणाम दे सकता है।

एकल-अणु स्तर पर प्रोटीन की संरचना और पहचान निर्धारित करने के लिए नैनोस्केल उपकरण

ट्रेस जैविक नमूनों से प्रोटीन की पहचान करने और मात्रा निर्धारित करने की क्षमता का बुनियादी अनुसंधान और नैदानिक ​​​​अभ्यास दोनों पर गहरा प्रभाव पड़ेगा, व्यक्तिगत कोशिकाओं के भीतर प्रोटीन अभिव्यक्ति में परिवर्तन की निगरानी से लेकर रोग के नए बायोमार्कर की खोज को सक्षम करने तक। इसके अलावा, उनकी संरचनाओं और अंतःक्रियाओं को भी निर्धारित करने की क्षमता दवा की खोज और लक्षण वर्णन के लिए नए रास्ते खोलेगी। पिछले दशकों में, डीएनए विश्लेषण और अनुक्रमण में विकास ने निस्संदेह चिकित्सा में क्रांति ला दी है - फिर भी प्रोटीन विश्लेषण के लिए समकक्ष विकास एक चुनौती बना हुआ है। जबकि प्रोटीन की पहचान के लिए मास स्पेक्ट्रोमेट्री और संरचना निर्धारण के लिए क्रायोईएम जैसी विधियां तेजी से उन्नत हुई हैं, समाधान और ट्रेस विषम नमूनों के साथ काम करने की क्षमता के संबंध में चुनौतियां बनी हुई हैं।

इस चुनौती से निपटने में मदद के लिए, वाइस इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं ने एक नया दृष्टिकोण विकसित किया है जो प्रोटीन और अन्य मैक्रोमोलेक्यूल्स की संरचनात्मक पहचान और विश्लेषण को सक्षम करने के लिए एकल-अणु हेरफेर के साथ डीएनए नैनोटेक्नोलॉजी को जोड़ता है। "डीएनए नैनोस्विच कैलिपर्स" (डीएनसी) समाधान में एकल प्रोटीन के भीतर दूरियों को मापने और ज्यामिति का निर्धारण करके "फिंगरप्रिंट प्रोटीन" के लिए एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन दृष्टिकोण प्रदान करते हैं। डीएनसी नैनोडिवाइस हैं जो डीएनए हैंडल के बीच की दूरी को मापने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं जो रुचि के लक्ष्य अणुओं से जुड़े हुए हैं। डीएनसी स्थितियों को सक्रिय किया जा सकता है और इसका उपयोग करके पढ़ा जा सकता है एकल-अणु बल स्पेक्ट्रोस्कोपी, प्रत्येक एकल-अणु पर कई पूर्ण दूरी माप करने में सक्षम बनाता है।

डीएनसी को संरचनात्मक जीव विज्ञान, प्रोटिओमिक्स, निदान और दवा खोज सहित विभिन्न क्षेत्रों में उन्नत अनुसंधान के लिए व्यापक रूप से अनुकूलित किया जा सकता है।

सभी प्रौद्योगिकियाँ विकास में हैं और उद्योग सहयोग के लिए उपलब्ध हैं।

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• स्रोत: https://genesisnanotech.wordpress.com/2023/01/16/dna-nanotechnology-tools-from-design-to-applications-current-opportunities-and-collaborations-wyss-institute-harvard-university/