Дизайнерские поры: новые мембранные поры с помощью ДНК-нанотехнологий
Ученые из UCL в сотрудничестве с коллегами из Кембриджского и Саутгемптонского университетов разработали новый способ создания пор, пересекающих мембрану, с использованием похожих на Lego строительных блоков из ДНК.
Этот подход предоставляет простой и недорогой инструмент для синтетической биологии. Технология имеет потенциал для применения в диагностических устройствах и открытии лекарств. Исследование опубликовано в журнале Angewandte Chemie.
Мембранные поры — это шлюзы, контролирующие транспорт необходимых молекул через непроницаемые мембраны, окружающие клетки живых организмов. Обычно состоящие из белков, поры разного размера контролируют поток ионов и молекул внутрь и наружу клетки в рамках метаболизма.
Синтетические белки сложны в работе из-за непредсказуемости сворачивания их структур. Даже незначительное неправильное сворачивание меняет свойства белка, что делает создание синтетических пор из белков рискованным и трудоемким.
Более простой подход — «рациональное конструирование» с использованием блоков ДНК. Химически более простые нити ДНК гораздо проще и предсказуемее в работе, чем белки, что делает их полезным материалом для создания наноструктур.
«ДНК — это строительный материал, который следует очень простым правилам», — говорит д-р Стефан Ховика (UCL Chemistry). «Новые наноструктуры можно легко спроектировать с помощью компьютерной программы, и элементы соединяются, как кубики Lego. Так что мы можем построить почти все, что захотим».
Используя этот подход, команда построила крошечную трубку размером 14 нанометров в длину и 5,5 нанометров в ширину (примерно в 10 000 раз меньше ширины человеческого волоса). Она стала основной частью искусственной нанопоры.
Ключевой задачей было встраивание водорастворимой структуры на основе ДНК в жирную липидную мембрану. Для этого ученые химически присоединили к ДНК-трубке два больших якоря из молекул, имеющих естественное сродство к липидам. Эти структуры, основанные на природных порфиринах, были разработаны группой д-ра Эугена Штульца (Саутгемптонский университет).
«Молекулы порфирина идеально подходят для наших целей, — объясняет Штульц. — Они являются прочным мембранным якорем, который надежно фиксирует нанопору в липидной мембране. Кроме того, они флуоресцентны, что облегчает их наблюдение и изучение».
Поры были охарактеризованы с помощью электрических и флуоресцентных измерений в сотрудничестве с д-ром Ульрихом Кайзером (Кавендишская лаборатория, Кембридж).
Простота самосборки структуры всего с двумя якорями (в предыдущих исследованиях использовалось 26 или даже 72 якоря) значительно упрощает дизайн и синтез нанопор.
«В будущем этот новый процесс позволит нам создавать ДНК-нанопоры для гораздо более широкого круга применений, чем сейчас возможно», — говорит Кайзер.
Способность создавать синтетические каналы в липидных мембранах открывает множество применений в науках о жизни. В первую очередь, ДНК-нанопоры представляют большой интерес для биосенсорики, например, для быстрого анализа ДНК.
Кроме того, созданные на заказ поры могут помочь в разработке новых лекарств. Прототипы лекарств обычно воздействуют на биологическую мишень, но не предназначены для проникновения через клеточную мембрану. Самособирающиеся поры предоставляют путь для попадания лекарств в клетки, что позволяет значительно ускорить доклинический скрининг на активность.