เครื่องมือนาโนเทคโนโลยี DNA: จากการออกแบบสู่การใช้งาน: โอกาสและความร่วมมือในปัจจุบัน – Wyss Institute – Harvard University

นักประดิษฐ์ชั้นนำ

วิลเลียม ชิห์ เวสลีย์ หว่อง

ข้อดี

• ดีเอ็นเอเป็นส่วนประกอบ
• การใช้งานแบบกว้าง
• ต้นทุนต่ำแต่มีศักยภาพสูง

โครงสร้างนาโนของ DNA ที่มีศักยภาพในการซึมผ่านของเซลล์และเนื้อเยื่อ ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ และความสามารถในการโปรแกรมสูงในระดับนาโน มีแนวโน้มว่าจะเป็นพาหนะในการส่งยารูปแบบใหม่ อุปกรณ์วินิจฉัยที่มีความจำเพาะสูง และเครื่องมือในการถอดรหัสว่าชีวโมเลกุลเปลี่ยนแปลงรูปร่างแบบไดนามิกอย่างไร และมีปฏิสัมพันธ์กับ ซึ่งกันและกันและกับยาที่เข้าข่าย นักวิจัยของ Wyss Institute กำลังจัดหาชุดเครื่องมือนาโนเทคโนโลยี DNA มัลติฟังก์ชั่นที่หลากหลาย พร้อมด้วยความสามารถและศักยภาพเฉพาะตัวสำหรับการวิจัยทางคลินิกและชีวการแพทย์ในวงกว้าง

อุปกรณ์นาโนเทคโนโลยีดีเอ็นเอสำหรับการนำส่งยารักษาโรค

โครงสร้างนาโนของ DNA มีศักยภาพในอนาคตที่จะใช้กันอย่างแพร่หลายในการขนส่งและนำเสนอโมเลกุลออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่หลากหลาย เช่น ยาและแอนติเจนและสารเสริมภูมิคุ้มกันเพื่อกำหนดเป้าหมายเซลล์และเนื้อเยื่อในร่างกายมนุษย์

DNA origami เป็นส่วนประกอบการนำส่งวัคซีนมะเร็งที่มีความแม่นยำสูง

สถาบัน Wyss ได้พัฒนา วัคซีนมะเร็ง เพื่อปรับปรุงภูมิคุ้มกันบำบัด วิธีการเหล่านี้ใช้โครงที่ใช้วัสดุชีวภาพแบบฝังหรือแบบฉีดได้ ซึ่งนำเสนอแอนติเจนที่จำเพาะต่อเนื้องอก และชีวโมเลกุลที่ดึงดูดเซลล์ภูมิคุ้มกันเดนไดรต์ (DCs) เข้าไปในโครง และกระตุ้นการทำงานของพวกมันเพื่อว่าหลังจากที่ปล่อยออกมา พวกมันจะประสานการตอบสนองของทีเซลล์ต่อต้านเนื้องอกกับเนื้องอก มีแอนติเจนชนิดเดียวกัน เพื่อให้กระตุ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด DC อาจจำเป็นต้องพบกับแอนติเจนของเนื้องอกและโมเลกุลเสริม CpG ที่กระตุ้นภูมิคุ้มกันในอัตราส่วนเฉพาะ (ปริมาณสารสัมพันธ์) และการกำหนดค่าที่ลงทะเบียนกับความหนาแน่นและการกระจายของโมเลกุลตัวรับบนพื้นผิวเซลล์

ได้รับการพัฒนาโดยเฉพาะ DNA origami ถูกตั้งโปรแกรมให้ประกอบเป็นบล็อกสี่เหลี่ยมขัดแตะแข็ง การนำเสนอแอนติเจนของเนื้องอกและสารเสริมไปยัง DCs ภายในโครงวัสดุชีวภาพที่มีความแม่นยำระดับนาโนมีศักยภาพในการเพิ่มประสิทธิภาพของวัคซีนรักษามะเร็ง และสามารถนำมาใช้ประโยชน์เพิ่มเติมกับยาต้านมะเร็งได้

กลยุทธ์การดัดแปลงทางเคมีเพื่อปกป้องโครงสร้างนาโนของ DNA ที่ให้ยา

โครงสร้างนาโนของ DNA เช่น DNA origami ที่ประกอบเองเป็นพาหนะที่น่าหวังสำหรับการส่งยาและการวินิจฉัย สามารถทำงานได้อย่างยืดหยุ่นด้วยโมเลกุลขนาดเล็กและยาโปรตีน รวมถึงคุณสมบัติที่อำนวยความสะดวกในการนำส่งไปยังเซลล์และเนื้อเยื่อเป้าหมายที่เฉพาะเจาะจง อย่างไรก็ตาม ศักยภาพของพวกมันถูกขัดขวางโดยความเสถียรที่จำกัดในเนื้อเยื่อและเลือดของร่างกาย เพื่อช่วยตอบสนองคำมั่นสัญญาที่ไม่ธรรมดาของโครงสร้างนาโน DNA นักวิจัยของ Wyss ได้พัฒนา วิธีการเชื่อมโยงข้ามทางเคมีที่ง่าย มีประสิทธิภาพ และปรับขนาดได้ ที่สามารถให้โครงสร้างนาโนของ DNA มีความเสถียรที่ต้องการเพื่อใช้เป็นพาหนะที่มีประสิทธิภาพสำหรับยาและการวินิจฉัย

ในสองขั้นตอนง่ายๆ ที่คุ้มค่า แนวทางของ Wyss จะใช้ a ก่อน สารทำให้เป็นกลางที่มีโมเลกุลขนาดเล็กและไม่สร้างความรำคาญ, PEG-oligolysine ซึ่งมีประจุบวกหลายประจุ เพื่อครอบคลุมโครงสร้าง origami ของ DNA ตรงกันข้ามกับ Mg ที่ใช้กันทั่วไป²⁺ซึ่งแต่ละไอออนจะต่อต้านการเปลี่ยนแปลงเชิงลบเพียงสองครั้งในโครงสร้าง DNA โดย PEG-oligolysine ครอบคลุมประจุลบหลายประจุในที่เดียว จึงสร้าง "ตาข่ายไฟฟ้าสถิต" ที่เสถียร ซึ่งจะเพิ่มความเสถียรของโครงสร้างนาโน DNA ประมาณ 400 เท่า จากนั้นโดยการสมัครก การเชื่อมโยงข้ามทางเคมี รีเอเจนต์ที่เรียกว่ากลูตาราลดีไฮด์จะมีการเพิ่มพันธะเสถียรภาพเข้าไปในตาข่ายไฟฟ้าสถิต ซึ่งเพิ่มความเสถียรของโครงสร้างนาโนของ DNA อีก 250 เท่า ช่วยยืดอายุครึ่งชีวิตของพวกมันให้อยู่ในช่วงที่เข้ากันได้กับการใช้งานทางคลินิกที่หลากหลาย

อุปกรณ์นาโนเทคโนโลยี DNA เป็นเครื่องมือวินิจฉัยและวิเคราะห์ที่มีความไวสูงเป็นพิเศษ

โดยหลักการแล้ว การสร้างโครงสร้างนาโน DNA ที่ตรวจพบได้เพื่อตอบสนองต่อโรคหรือกรดนิวคลีอิกที่จำเพาะต่อเชื้อโรค ถือเป็นช่องทางในการตรวจหาตัวบ่งชี้ทางชีวภาพที่มีประสิทธิภาพสูงในตัวอย่างที่หลากหลาย เหตุการณ์การจับโมเลกุลเดี่ยวของโอลิโกนิวคลีโอไทด์สังเคราะห์กับกรดนิวคลีอิกเป้าหมายสามารถสร้างนิวเคลียสในการสร้างโครงสร้างที่ใหญ่กว่ามากโดยการทำงานร่วมกันของหน่วย DNA สังเคราะห์ที่มีขนาดเล็กกว่า เช่น กระเบื้อง DNA หรืออิฐ ให้เป็นโครงสร้างที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งจากนั้นสามารถมองเห็นได้ในการตรวจวิเคราะห์ในห้องปฏิบัติการอย่างง่าย อย่างไรก็ตาม อุปสรรคสำคัญต่อแนวทางเหล่านี้คือการเกิดขึ้นของ (1) การจับที่ไม่เฉพาะเจาะจง และ (2) เหตุการณ์นิวเคลียสที่ไม่เฉพาะเจาะจง ในกรณีที่ไม่มีกรดนิวคลีอิกเป้าหมายเฉพาะ ซึ่งสามารถนำไปสู่ผลลัพธ์เชิงบวกที่ผิดพลาดได้ นักนาโนเทคโนโลยี DNA ของ Wyss ได้พัฒนาวิธีแก้ปัญหาสองแบบที่แยกจากกันแต่ใช้ร่วมกันได้สำหรับปัญหาเหล่านี้

การนับโมเลกุลไบโอมาร์คเกอร์แบบดิจิทัลด้วย DNA nanoswitch catenanes

เพื่อให้การตรวจจับเบื้องต้น (การจับ) ของไบโอมาร์คเกอร์มีความไวและความจำเพาะสูงเป็นพิเศษ นักวิจัยของ Wyss ได้พัฒนา DNA nanoswitch ชนิดหนึ่ง ซึ่งได้รับการออกแบบให้เป็น catenane ที่ใหญ่กว่า (ละติน) โซ่(หมายถึงห่วงโซ่) ประกอบขึ้นจากโครงสร้างย่อยรูปวงแหวนที่เชื่อมต่อกันด้วยกลไกซึ่งมีฟังก์ชันเฉพาะที่ร่วมกันทำให้สามารถตรวจจับและนับโมเลกุลไบโอมาร์คเกอร์เดี่ยวได้ ในโครงสร้าง “DNA Nanoswitch Catenane” ปลายทั้งสองข้างของสาย DNA สังเคราะห์ที่ยาวกว่าเชื่อมโยงกับชิ้นส่วนแอนติบอดีสองชิ้นที่แต่ละชิ้นจับส่วนต่างๆ ของโมเลกุลตัวบ่งชี้ทางชีวภาพเดียวกันที่สนใจโดยเฉพาะ ดังนั้นจึงทำให้เป้าหมายมีความจำเพาะและความไวสูง

เหตุการณ์เชื่อมโยงนี้ทำให้เกลียวปิดเป็น "วงแหวนเจ้าบ้าน" ซึ่งเชื่อมต่อกันในภูมิภาคต่างๆ ด้วย "วงแหวนแขก" ที่แตกต่างกัน การปิดวงแหวนโฮสต์จะเปลี่ยนวงแหวนแขกให้อยู่ในรูปแบบที่ช่วยให้สามารถสังเคราะห์สายดีเอ็นเอใหม่ได้ จากนั้นจะสามารถตรวจพบสายการวินิจฉัยที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่ได้อย่างชัดเจนด้วยการนับจำนวนโมเลกุลดิจิทัลเพียงตัวเดียว ขณะเดียวกันการขัดขวางส่วนของแอนติบอดี/ตัวบ่งชี้ทางชีวภาพจะเริ่มต้นรอบการนับตัวบ่งชี้ทางชีวภาพใหม่ ทั้งสองอย่าง ความจำเพาะในการจับเป้าหมายและการสังเคราะห์สาย DNA ที่จำเพาะต่อเป้าหมายยังช่วยให้สามารถรวม DNA nanoswitch catenanes หลายตัวเข้าด้วยกัน เพื่อนับโมเลกุลไบโอมาร์คเกอร์ที่แตกต่างกันในปฏิกิริยามัลติเพล็กซ์เดี่ยว

สำหรับการวินิจฉัยที่ละเอียดอ่อนมาก แนะนำให้ใช้การขยายสัญญาณที่เร็วที่สุดและมีอัตรานิวเคลียสปลอมต่ำที่สุด วิธีการนาโนเทคโนโลยี DNA มีศักยภาพที่จะส่งมอบสิ่งนี้ในลักษณะที่ปราศจากเอนไซม์และต้นทุนต่ำ

วิลเลียม ชิห์

แพลตฟอร์มการขยายสัญญาณที่รวดเร็วสำหรับไบโอมาร์คเกอร์ที่หลากหลาย

A แพลตฟอร์มการตรวจจับและขยายที่รวดเร็ว ต้นทุนต่ำ และไร้เอนไซม์ หลีกเลี่ยงการเกิดนิวเคลียสและการขยายที่ไม่เฉพาะเจาะจง และช่วยให้สามารถประกอบโครงสร้างขนาดไมครอนที่ใหญ่กว่ามากได้เองจากเมล็ดเดียวในเวลาเพียงไม่กี่นาที วิธีการที่เรียกว่า “การตรวจจับเมล็ดนาโนแบบไขว้” ช่วยให้สามารถประกอบริบบิ้นโดยให้ความร่วมมือเป็นพิเศษ โดยเริ่มต้นจากการผูกตัวชี้วัดทางชีวภาพเพียงตัวเดียว โครงสร้างขนาดไมครอนได้รับการถักทออย่างหนาแน่นจาก "แผ่นดีเอ็นเอ" แบบเกลียวเดี่ยว โดยที่แผ่นไม้ระแนงขาเข้าจะเลื้อยไปมาเหนือและใต้แผ่นไม้ที่จับมาก่อนหน้านี้หกแผ่นขึ้นไปบนปลายริบบิ้นที่กำลังเติบโตในลักษณะ "กากบาด" ก่อให้เกิดปฏิกิริยาที่อ่อนแอแต่มีความเฉพาะเจาะจงสูง ด้วยแผ่นดีเอ็นเอที่มีปฏิสัมพันธ์กัน การเกิดนิวเคลียสของกระบวนการประกอบนั้นมีความเฉพาะเจาะจงกับเมล็ดพันธุ์เป้าหมายอย่างเคร่งครัด และการประกอบสามารถดำเนินการได้ในปฏิกิริยาขั้นตอนเดียวในเวลาประมาณ 15 นาที โดยไม่ต้องเติมรีเอเจนต์เพิ่มเติม และในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง เมื่อใช้อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการมาตรฐาน โครงสร้างที่ประกอบเข้าด้วยกันจะสามารถมองเห็นได้อย่างรวดเร็วหรือตรวจพบได้ เช่น การใช้ชุดตรวจวิเคราะห์เครื่องอ่านแผ่นเรืองแสงที่มีปริมาณงานสูง

โอกาสปัจจุบัน – การเริ่มต้น

การตรวจจับเมล็ดนาโนแบบไขว้: การวินิจฉัยโรคติดเชื้อที่ขับเคลื่อนด้วยนาโนเทคโนโลยี

นาโนเทคโนโลยี DNA ที่ปราศจากเอนไซม์เพื่อการตรวจหาไบโอมาร์คเกอร์โรคติดเชื้อที่รวดเร็ว ไวเป็นพิเศษ และต้นทุนต่ำ พร้อมการเข้าถึงได้อย่างกว้างขวางในสถานพยาบาล ณ จุดดูแล

กระบวนการประกอบ DNA ในวิธีการ Crisscross Nanoseed Detection ยังสามารถเชื่อมโยงกับการทำงานของ DNA nanoswitch catenanes ที่ตรวจจับโมเลกุลไบโอมาร์คเกอร์โดยเฉพาะ ซึ่งนำไปสู่การเก็บรักษาบันทึกระดับโมเลกุล แต่ละบันทึกที่ยังมีชีวิตอยู่สามารถสร้างนิวเคลียสการประกอบโครงสร้างนาโนแบบไขว้ ผสมผสานการจับที่มีความจำเพาะสูงเข้ากับการขยายสัญญาณสำหรับการตรวจจับตัวบ่งชี้ทางชีวภาพ

ขณะนี้ นักวิจัยของ Wyss กำลังพัฒนาแนวทางดังกล่าวในการวินิจฉัยโรคโควิด-19 ที่ก่อให้เกิดไวรัส SARS-CoV-2 และเชื้อโรคอื่นๆ ที่ใช้ต้นทุนต่ำแบบมัลติเพล็กซ์ได้ ซึ่งสามารถให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำได้รวดเร็วกว่าและมีค่าใช้จ่ายต่ำกว่าเทคนิคที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน

อุปกรณ์ระดับนาโนสำหรับกำหนดโครงสร้างและเอกลักษณ์ของโปรตีนในระดับโมเลกุลเดี่ยว

ความสามารถในการระบุและหาปริมาณโปรตีนจากตัวอย่างทางชีววิทยาจะมีผลกระทบอย่างมากต่อทั้งการวิจัยขั้นพื้นฐานและการปฏิบัติทางคลินิก ตั้งแต่การติดตามการเปลี่ยนแปลงในการแสดงออกของโปรตีนภายในเซลล์แต่ละเซลล์ ไปจนถึงการค้นพบตัวบ่งชี้ทางชีวภาพใหม่ๆ ของโรคได้ นอกจากนี้ ความสามารถในการกำหนดโครงสร้างและปฏิกิริยาระหว่างกันจะเปิดช่องทางใหม่ในการค้นคว้าและจำแนกลักษณะเฉพาะของยา ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา การพัฒนาด้านการวิเคราะห์และการหาลำดับดีเอ็นเอได้ปฏิวัติการแพทย์อย่างไม่ต้องสงสัย แต่การพัฒนาที่เท่าเทียมกันสำหรับการวิเคราะห์โปรตีนยังคงเป็นความท้าทาย แม้ว่าวิธีการต่างๆ เช่น แมสสเปกโตรเมทรีสำหรับการจำแนกโปรตีน และการใช้ไครโออีเอ็มสำหรับการกำหนดโครงสร้างมีความก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็ว แต่ความท้าทายยังคงมีอยู่ที่ความละเอียดและความสามารถในการทำงานกับตัวอย่างที่มีการติดตามต่างกัน

เพื่อช่วยตอบสนองความท้าทายนี้ นักวิจัยจาก Wyss Institute ได้พัฒนาแนวทางใหม่ที่ผสมผสานนาโนเทคโนโลยี DNA เข้ากับการจัดการโมเลกุลเดี่ยว เพื่อให้สามารถระบุโครงสร้างและวิเคราะห์โปรตีนและโมเลกุลขนาดใหญ่อื่น ๆ ได้ “คาลิปเปอร์ DNA Nanoswitch” (DNC) นำเสนอแนวทางที่มีความละเอียดสูงสำหรับ “โปรตีนลายนิ้วมือ” โดยการวัดระยะทางและกำหนดรูปทรงภายในโปรตีนเดี่ยวในสารละลาย DNC เป็นอุปกรณ์นาโนที่ออกแบบมาเพื่อวัดระยะห่างระหว่างที่จับ DNA ที่ติดอยู่กับโมเลกุลเป้าหมายที่สนใจ สถานะ DNC สามารถกระตุ้นและอ่านออกเสียงได้ สเปกโทรสโกปีแรงโมเลกุลเดี่ยวทำให้สามารถวัดระยะทางสัมบูรณ์ได้หลายครั้งในแต่ละโมเลกุลเดี่ยว

DNC สามารถนำไปปรับใช้อย่างกว้างขวางเพื่อพัฒนาการวิจัยในด้านต่างๆ รวมถึงชีววิทยาเชิงโครงสร้าง โปรตีโอมิกส์ การวินิจฉัย และการค้นคว้ายา

เทคโนโลยีทั้งหมดอยู่ระหว่างการพัฒนาและพร้อมสำหรับความร่วมมือในอุตสาหกรรม

.wordads-ad-wrapper { แสดง: ไม่มี; แบบอักษร: ปกติ 11px Arial, sans-serif; ระยะห่างตัวอักษร: 1px; การตกแต่งข้อความ: ไม่มี; ความกว้าง: 100%; ขอบ: อัตโนมัติ 25px; ช่องว่างภายใน: 0; } .wordads-ad-title { ขอบด้านล่าง: 5px; } .wordads-ad-controls { ขอบด้านบน: 5px; จัดข้อความ: ขวา; } .wordads-ad-controls span { เคอร์เซอร์: ตัวชี้; } .wordads-ad { ความกว้าง: พอดีเนื้อหา; ขอบ: 0 อัตโนมัติ; }

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://genesisnanotech.wordpress.com/2023/01/16/dna-nanotechnology-tools-from-design-to-applications-current-opportunities-and-collaborations-wyss-institute-harvard-university/