כלים ננו-טכנולוגיים של DNA: מעיצוב ליישומים: הזדמנויות ושיתופי פעולה נוכחיים - מכון וויס - אוניברסיטת הרווארד

ממציאים מובילים

וויליאם שי ווסלי וונג

יתרונות

• DNA כאבני בניין
• יישומים רחבים
• עלות נמוכה עם פוטנציאל גדול

ננו-מבנים של DNA עם הפוטנציאל שלהם לחדירות תאים ורקמות, תאימות ביולוגית ותכנות גבוה ברמה הננומטרית הם מועמדים מבטיחים כסוגים חדשים של כלי העברת תרופות, מכשירי אבחון ספציפיים מאוד וכלים לפענח כיצד ביומולקולות משנות באופן דינמי את צורותיהן, ומקיימות אינטראקציה עם אחד את השני ועם תרופות מועמדות. חוקרי מכון וייס מספקים חבילה של כלים ננו-טכנולוגיים DNA מגוונים ורב-תכליתיים עם יכולות ייחודיות ופוטנציאל למגוון רחב של תחומי מחקר קליניים וביו-רפואיים.

מכשירים ננוטכנולוגיים של DNA לאספקת תרופות טיפוליות

לננו-מבנים של DNA יש פוטנציאל עתידי לשימוש נרחב לשינוע ולהצגה של מגוון מולקולות פעילות ביולוגית כגון תרופות ואנטיגנים משפרי מערכת החיסון ואדג'ובנטים לתאי מטרה ולרקמות בגוף האדם.

אוריגמי DNA כמרכיבי אספקה ​​דיוק גבוה של חיסונים לסרטן

מכון ויס התפתח חיסונים לסרטן לשיפור האימונותרפיות. גישות אלו משתמשות בפיגומים מבוססי ביו-חומר הניתנים להשתלה או להזרקה המציגים אנטיגנים ספציפיים לגידול, וביומולקולות המושכות תאי חיסון דנדריטים (DCs) לתוך הפיגום, ומפעילות אותם כך שלאחר שחרורם יוכלו לתזמן תגובות של תאי T נגד גידולים. נושאים את אותם אנטיגנים. כדי להיות מופעל בצורה היעילה ביותר, סביר להניח ש-DCs צריכים לחוות אנטיגנים של גידולים ומולקולות תוספי CpG המחזקות את מערכת החיסון ביחסים מסוימים (סטוכיומטריות) ותצורות שנרשמות עם הצפיפות וההפצה של מולקולות הקולטנים על פני התא שלהם.

פותח במיוחד אוריגמי DNA, מתוכנת להרכיב לגושי סריג ריבועי קשיחים שלהצגת אנטיגנים ועזרי גידול ל-DCs בתוך פיגומים ביולוגיים עם דיוק ננומטרי יש פוטנציאל להגביר את היעילות של חיסונים טיפוליים לסרטן, וניתן לתפקד עוד יותר עם תרופות אנטי-סרטניות.

אסטרטגיית שינוי כימי להגנה על ננו-מבנים של DNA המספק תרופות

ננו-מבנים של DNA כגון אוריגמי DNA בהרכבה עצמית הם כלי רכב מבטיחים לאספקת תרופות ודיאגנוסטיקה. ניתן לתפקד בצורה גמישה עם תרופות מולקולות קטנות וחלבונים, כמו גם תכונות המקלות על משלוחן לתאי מטרה ולרקמות ספציפיות. עם זאת, הפוטנציאל שלהם נפגע בשל יציבותם המוגבלת ברקמות הגוף ובדם. כדי לסייע במימוש ההבטחה יוצאת הדופן של ננו-מבנים של DNA, חוקרי וויס פיתחו א גישת קישור צולב כימי קל, יעיל וניתן להרחבה שיכולים לספק לננו-מבנים של DNA את היציבות שהם צריכים ככלי יעיל לתרופות ודיאגנוסטיקה.

בשני שלבים פשוטים וחסכוניים, הגישה של Wyss משתמשת תחילה ב- a חומר מנטרל לא פולשני בעל מולקולה קטנה, PEG-oligolysine, הנושא מטענים חיוביים מרובים, לכיסוי מבני אוריגמי DNA. בניגוד ל-Mg הנפוץ²⁺יונים שכל אחד מהם מנטרל רק שני שינויים שליליים במבני DNA, PEG-oligolysine מכסה מטענים שליליים מרובים באחד, ובכך יוצר "רשת אלקטרוסטטית" יציבה, המגבירה את היציבות של ננו-מבנים של DNA פי 400 בערך. לאחר מכן, על ידי החלת א קישור צולב כימי מגיב המכונה glutaraldehyde, קשרים מייצבים נוספים מוכנסים לרשת האלקטרוסטטית, מה שמגביר את היציבות של ננו-מבני DNA פי 250 נוספים, ומאריך את מחצית החיים שלהם לטווח התואם למגוון רחב של יישומים קליניים.

מכשירים ננוטכנולוגיים של DNA ככלי אבחון ואנליטי רגישים במיוחד

היצירה של ננו-מבנים DNA הניתנים לזיהוי בתגובה למחלה או לחומצות גרעין ספציפיות לפתוגן, באופן עקרוני, מציעה אמצעי לזיהוי סמנים ביולוגיים יעילים ביותר בדגימות מגוונות. אירוע קשירה של מולקולה בודדת של אוליגונוקלאוטיד סינטטי לחומצת גרעין מטרה יכול ליצור גרעין של יצירת מבנים גדולים בהרבה על ידי הרכבה משותפת של יחידות DNA סינתטיות קטנות יותר כמו אריחי DNA או לבנים למבנים גדולים יותר שאותם ניתן להמחיש במבחני מעבדה פשוטים. עם זאת, מכשול מרכזי בפני גישות אלו הוא התרחשות של (1) כריכה לא ספציפית ו-(2) אירועי גרעין לא ספציפיים בהעדר חומצת גרעין ספציפית שיכולה להוביל לתוצאות חיוביות שגויות. ננו-טכנולוגים של Wyss DNA פיתחו שני פתרונות ישימים בנפרד אך ניתנים לשילוב לבעיות אלו.

ספירה דיגיטלית של מולקולות סמן ביולוגי עם קטנאנים של ננו-מתג DNA

כדי לאפשר זיהוי ראשוני (קישור) של סמנים ביולוגיים בעלי רגישות וסגוליות גבוהות במיוחד, חוקרי Wyss פיתחו סוג של ננו-מתג DNA שעוצב כקטנן גדול יותר (לטינית שרשרתכלומר שרשרת), מורכבת מתתי מבנים בצורת טבעת שלובים זה בזה מכנית עם פונקציות ספציפיות המאפשרות יחד איתור וספירה של מולקולות סמן ביולוגי בודד. במבנה "DNA Nanoswitch Catenane", שני הקצוות של גדיל DNA סינתטי ארוך יותר מקושרים לשני שברי נוגדנים שכל אחד מהם קושר באופן ספציפי חלקים שונים של אותה מולקולת סמן ביולוגי של עניין, ובכך מאפשרים ספציפיות ורגישות מטרה גבוהה.

אירוע גישור זה גורם לגדיל להיסגר ל"טבעת מארחת", שאותה הוא קשור באזורים שונים עם "טבעות אורח" שונות. סגירת הטבעת המארחת מעבירה את טבעות האורחים לתצורה המאפשרת סינתזה של גדיל DNA חדש. לאחר מכן ניתן לזהות באופן חד משמעי את גדיל האבחון החדש שסונתז כספירת מולקולות דיגיטליות בודדות, בעוד ששיבוש שברי נוגדנים/סמן ביולוגי מתחיל מחזור ספירת סמנים ביולוגיים חדש. שניהם, הספציפיות של קשירת המטרה והסינתזה של גדיל DNA ספציפי למטרה מאפשרים גם לשילוב של מספר קטנאנים של ננו-מתג DNA כדי לספור בו-זמנית מולקולות ביולוגיות שונות בתגובה מרובבת אחת.

לאבחון רגיש במיוחד, רצוי לקבל את ההגברה המהירה ביותר ואת השיעור הנמוך ביותר של גרעין מזויף. לגישות ננו-טכנולוגיות DNA יש פוטנציאל לספק זאת בצורה נטולת אנזים ובעלות נמוכה.

ויליאם שי

פלטפורמת הגברה מהירה לסמנים ביולוגיים מגוונים

A פלטפורמת זיהוי והגברה מהירה, בעלות נמוכה וללא אנזימים מונע גרעין והגברה לא ספציפיים ומאפשר הרכבה עצמית של מבנים בקנה מידה מיקרוני גדול בהרבה מזרע בודד בתוך דקות בלבד. השיטה, הנקראת "זיהוי ננוזה מוצלב"מאפשר הרכבה אולטרה-שיתופית של סרטים החל מאירוע קשירת סמן ביולוגי יחיד. המבנים בקנה מידה מיקרוני ארוגים בצפיפות מ"רצועות DNA" חד-גדילים, לפיו דק נכנס מעל ותחת שישה או יותר דקים שנתפסו בעבר על קצה סרט גדל בצורה "צולבת", ויוצרים אינטראקציות חלשות אך מאוד ספציפיות. עם רצועות ה-DNA המקיימות אינטראקציה. הגרעין של תהליך ההרכבה הוא ספציפי לזרע מטרה בלבד וניתן לבצע את ההרכבה בתגובה חד-שלבית תוך כ-15 דקות ללא תוספת של ריאגנטים נוספים, ובטווח רחב של טמפרטורות. באמצעות ציוד מעבדה סטנדרטי, ניתן להמחיש במהירות את המבנים המורכבים או לזהות אחרת, למשל, באמצעות מבחני קוראי לוחות פלואורסצנטי בעל תפוקה גבוהה.

הזדמנות נוכחית - הפעלה

זיהוי ננו-זרעים צולב: אבחון מחלות זיהומיות המונעות על ידי ננוטכנולוגיה

ננוטכנולוגיית DNA ללא אנזים לזיהוי מהיר, רגיש במיוחד ובעלות נמוכה של סמנים ביולוגיים של מחלות זיהומיות עם נגישות רחבה במסגרות נקודת טיפול.

תהליך הרכבת ה-DNA בשיטת Crisscross Nanoseed Detection יכול להיות קשור גם לפעולה של קטנאנים של ננו-מתג DNA שמזהים באופן ספציפי מולקולת סמן ביולוגי המוביל לשימור רישום מולקולרי. כל רשומה שורדת יכולה ליצור גרעין של הרכבה של ננו-מבנה צולב, בשילוב של קישור בספציפיות גבוהה עם הגברה לזיהוי סמן ביולוגי.

חוקרי Wyss מפתחים כעת את הגישה כאבחון בעלות נמוכה ניתנת לריבוי עבור נגיף ה-COVID-19 הגורם לנגיף SARS-CoV-2 ופתוגנים אחרים שיכולים לתת תוצאות מדויקות מהר יותר ובעלויות נמוכות יותר מהטכניקות הנהוגות כיום.

מכשירים ננומטריים לקביעת המבנה והזהות של חלבונים ברמת מולקולה בודדת

ליכולת לזהות ולכמת חלבונים מדגימות ביולוגיות עקבות תהיה השפעה עמוקה הן על המחקר הבסיסי והן על הפרקטיקה הקלינית, החל ממעקב אחר שינויים בביטוי החלבון בתוך תאים בודדים ועד לאפשר גילוי של סמנים ביולוגיים חדשים של מחלה. יתר על כן, היכולת לקבוע גם את המבנים והאינטראקציות שלהם תפתח אפיקים חדשים לגילוי ואפיון תרופות. במהלך העשורים האחרונים, התפתחויות בניתוח וריצוף DNA חוללו ללא ספק מהפכה ברפואה - אך עדיין פיתוחים מקבילים לניתוח חלבונים נותרו אתגר. בעוד ששיטות כגון ספקטרומטריית מסה לזיהוי חלבון ו-cryoEM לקביעת מבנה התקדמו במהירות, נותרו אתגרים לגבי הרזולוציה והיכולת לעבוד עם דגימות הטרוגניות עקבות.

כדי לסייע בעמידה באתגר זה, חוקרים במכון וייס פיתחו גישה חדשה המשלבת ננוטכנולוגיה של DNA עם מניפולציה של מולקולה אחת כדי לאפשר זיהוי וניתוח מבני של חלבונים ומקרומולקולות אחרות. "DNA Nanoswitch Calipers" (DNCs) מציעים גישה ברזולוציה גבוהה ל"חלבוני טביעת אצבע" על ידי מדידת מרחקים וקביעת גיאומטריות בתוך חלבונים בודדים בתמיסה. DNCs הם ננו-מכשירים שנועדו למדוד מרחקים בין ידיות DNA שהוצמדו למולקולות מטרה בעלות עניין. ניתן להפעיל ולקרוא מצבי DNC באמצעות ספקטרוסקופיה כוח של מולקולה אחת, המאפשר לבצע מדידות מרחק מוחלט מרובות על כל מולקולה בודדת.

DNCs יכולים להיות מותאמים באופן נרחב לקידום מחקר בתחומים שונים, כולל ביולוגיה מבנית, פרוטאומיקה, אבחון וגילוי תרופות.

כל הטכנולוגיות נמצאות בפיתוח וזמינות לשיתופי פעולה בתעשייה.

.wordads-ad-wrapper { display:none; גופן: רגיל 11px Arial, sans-serif; מרווח אותיות: 1px; קישוט טקסט: אין; רוחב: 100%; שוליים: 25px אוטומטי; ריפוד: 0; } .wordads-ad-title { margin-bottom: 5px; } .wordads-ad-controls { margin-top: 5px; יישור טקסט: ימינה; } .wordads-ad-controls span { cursor: pointer; } .wordads-ad { width: fit-content; שוליים: 0 אוטומטי; }

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://genesisnanotech.wordpress.com/2023/01/16/dna-nanotechnology-tools-from-design-to-applications-current-opportunities-and-collaborations-wyss-institute-harvard-university/