Создание ДНК-наночастицы, которая является одновременно носителем и лекарством
Учёные уже два десятилетия создают наночастицы из нитей ДНК, манипулируя связями, поддерживающими двойную спираль, чтобы создавать самоорганизующиеся структуры для будущих медицинских применений.
Однако изучение ДНК-наночастиц в основном фокусировалось на их архитектуре, превращая генетический код в компоненты для микроскопических роботов. Исследователи из Университета штата Айова — профессор Эрик Хендерсон и недавний выпускник докторантуры Чан-Ён О — стремятся это изменить, показав, что наноматериалы из ДНК могут передавать встроенные в них генетические инструкции.
«До сих пор большинство изучало ДНК-наночастицы с инженерной точки зрения. Мало внимания уделялось информации, содержащейся в этих нитях ДНК», — сказал О.
В статье в журнале Scientific Reports Хендерсон и О описали создание ДНК-наночастиц, способных экспрессировать генетический код. Наличие способности нести гены увеличивает потенциал ДНК-нанотехнологий.
«Эти структуры могут быть одновременно и носителем, и лекарством», — сказал Хендерсон.
Исследователи утверждают, что они одни из первых в мире, кто создал ДНК-наночастицу, экспрессирующую собственный генетический код. Фонд исследований Университета штата Айова подал заявку на патент, связанный с этой работой, в 2023 году.
Успешные структуры
Вернувшись в университет на полную ставку в 2008 году, Хендерсон начал работать над ДНК-оригами — методом создания самоорганизующихся наноструктур из длинных одноцепочечных нитей ДНК.
Работа над наномашинным биосенсором для обнаружения патогенов оставила вопрос: а как насчёт генов, которые несут эти структуры? Может ли ДНК-оригами экспрессировать встроенную в себя генетическую информацию?
Первый шаг — создание ДНК-оригами из одноцепочечных нитей с определёнными генетическими последовательностями, а не из традиционно используемых для наночастиц. На это ушло пару лет.
Следующим шагом было выяснить, может ли РНК-полимераза (фермент для создания молекул РНК из ДНК) перемещаться по сложной структуре ДНК-оригами. Особую озабоченность вызывало, будет ли полимераза блокирована кроссоверами — соединениями, где длинные нити ДНК скреплены короткими «скрепками» (staples).
«Оказывается, нет, что контринтуитивно», — сказал Хендерсон.
Хотя кроссоверы и сложная архитектура не останавливают процесс транскрипции (создания РНК), дизайн наноструктуры влияет на её эффективность. Плотные структуры производят меньше РНК, что означает возможность тонкой настройки дизайна наночастицы для подавления или усиления целевых функций.
«Мы могли бы создать эффективную целевую систему доставки с потенциалом во многих областях, включая терапию рака», — сказал О.
Доступность и долговечность
Потенциал точности — одна из причин, делающих ДНК-наночастицы перспективными.
«Редактирование генов невероятно мощно, но одна из самых сложных его частей — редактировать только те гены, которые нужно. Так что мечта — точно настраивать эти наночастицы для нацеливания на определённые клетки и ткани», — сказал Хендерсон.
Однако у ДНК-наночастиц есть и другие важные преимущества. Их легко изготовить, они недороги и долговечны. Самоорганизация наночастиц так же проста, как нагрев смеси и её охлаждение, без специального оборудования.
Благодаря повсеместности исследований ДНК, нити и «скрепки» недороги в производстве. Компоненты, которые можно хранить в виде порошка, имеют длительный срок хранения даже в сложных условиях. Это технология, которая может легко распространиться.
«ДНК очень стабильна. Её выделяли из образцов возрастом более 1 миллиона лет», — сказал Хендерсон.