(БОСТОН) - Команда нанобиотехнологов из Гарвардского института биологической инженерии Висса и Института рака Дана-Фарбер (DFCI) во главе с членом-основателем факультета Висса Уильямом Ши, доктором философии, разработала программируемую стратегию самосборки ДНК. это решает ключевую задачу надежного контроля нуклеации и открывает путь для таких приложений, как сверхчувствительное диагностическое обнаружение биомаркеров и масштабируемое производство структур микрометрового размера с элементами нанометрового размера. Используя метод, называемый «перекрестная полимеризация», исследователи могут инициировать плетение нанолент из удлиненных одиночных цепей ДНК (называемых «планками») посредством строго зависящего от семян события зародышеобразования. Исследование опубликовано в Природа связи.

Наноструктуры ДНК обладают большим потенциалом для решения различных диагностических, терапевтических и производственных задач благодаря их высокой биосовместимости и программируемости. Например, для функционирования эффективных диагностических устройств наноструктура ДНК может нуждаться в особой реакции на присутствие целевой молекулы, инициируя усиленное считывание, совместимое с недорогими приборами, доступными в местах оказания медицинской помощи или в клинико-лабораторных условиях.

Большинство наноструктур ДНК собираются с использованием одной из двух основных стратегий, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны. «ДНК-оригами» формируются из длинной одноцепочечной цепи каркаса, которая стабилизируется в двух- или трехмерной конфигурации множеством более коротких цепей. Их сборка строго зависит от прядей каркаса, что приводит к надежному складыванию "все или ничего". Хотя они могут быть получены с высокой чистотой в широком диапазоне условий, их максимальный размер ограничен. С другой стороны, «кирпичики ДНК» могут собирать гораздо более крупные структуры из множества коротких модульных цепей. Однако их сборка требует строго контролируемых условий окружающей среды, может быть ложно инициирована при отсутствии затравки и дает значительную часть неполных структур, которые необходимо очистить.

«Внедрение ДНК-оригами стало самым значительным достижением в области ДНК-нанотехнологий за последние два десятилетия. Подход перекрестной полимеризации, который мы разработали в этом исследовании, основывается на этой и других основах для расширения контролируемой самосборки ДНК на гораздо более крупные масштабы », - сказал Ши, который является одним из руководителей Инициативы молекулярной робототехники Вайса, а также является профессором Гарвардского университета. Медицинская школа и DFCI. «Мы предполагаем, что перекрестная полимеризация будет в широком смысле способствовать формированию двух- и трехмерных микроструктур по принципу« все или ничего »с адресуемыми наноразмерными функциями, алгоритмической самосборкой и усилением сигнала без фона в диагностических приложениях, требующих чрезвычайной чувствительности».

Посадка семени

Испытав ограничения ДНК-оригами и наноструктур ДНК-кирпичиков, команда начала с вопроса, можно ли объединить абсолютную зависимость сборки ДНК-оригами от семян с безграничными размерами кирпичиков ДНК в третьем типе наноструктуры ДНК, которая быстро растет. и стабильно большого размера.

«Мы утверждали, что полная сборка структур ДНК микронного размера может быть достигнута путем разработки системы, которая имеет высокий барьер свободной энергии для самопроизвольной сборки. Барьер можно обойти только с помощью затравки, которая связывает и формирует набор «зарождающихся» планок для совместного захвата планок «роста». Это инициирует цепную реакцию добавлений планки роста, которая приводит к появлению длинных лент ДНК », - сказал соавтор исследования Дионис Минев, доктор философии, научный сотрудник команды Ши. «Этот тип высоко кооперативного, строго зависимого от семян зародышеобразования следует некоторым из тех же принципов, которые управляют цитоскелетным актином или инициацией филаментов микротрубочек и ростом в клетках». Удлинение филаментов цитоскелета следует строгим правилам, согласно которым каждый входящий мономер связывается с несколькими мономерами, которые ранее были включены в полимерный филамент, и, в свою очередь, необходим для связывания следующего. «Перекрестная полимеризация выводит эту стратегию на новый уровень, позволяя потребовать не ближайших соседей для набора входящих мономеров. "Секретный соус", который получается в результате экстремального уровня координации, - сказал Минев.

От концепции к фактической структуре (ам)

Применяя свою концепцию на практике, команда разработала и проверила систему, в которой крошечная структура семян предлагает высокую начальную концентрацию предварительно сформированных сайтов связывания в виде выступающих одиночных цепей ДНК. Они могут быть обнаружены с помощью планок ДНК с шестью (или в альтернативной перекрестной системе с восемью) доступными сайтами связывания, каждый из которых связывается с одной из шести (или восьми) соседних выступающих цепей оцДНК в перекрестном порядке, и последующие планки ДНК затем непрерывно добавляются к удлиненная структура.

«Наш дизайн примечателен тем, что мы достигли быстрого роста огромных структур ДНК, но с контролем зародышеобразования, который на порядки превосходит другие подходы. Это все равно, что съесть свой торт и съесть его, потому что мы с готовностью создавали крупномасштабные сборки и делали это только там и тогда, когда нам так хотелось », - сказал соавтор статьи Крис Винтерсингер, доктор философии. студент в группе Ши, который сотрудничал над проектом с Миневым. «Контроль, который мы достигли с помощью перекрестного пересечения, значительно превосходит тот, который наблюдается для существующих методов ДНК, где зародышеобразование может быть направлено только в узком диапазоне условий, при которых рост чрезвычайно медленный»

Используя перекрестную полимеризацию, команда Ши создала ленты ДНК, которые самоорганизовывались в результате одного конкретного события посева в структуры длиной до десятков микрометров, с массой почти в сто раз больше, чем у типичного ДНК-оригами. Более того, используя высокую программируемость конформаций и взаимодействий планок, исследователи создали ленты с четкими поворотами и изгибами, что привело к образованию спиральных и трубчатых структур. В будущих исследованиях это может быть использовано для создания функционализированных структур, которые могут извлечь выгоду из пространственно разделенных компартментов. «Непосредственное применение нашего метода перекрестных наноконструкций - это стратегия амплификации в диагностических анализах после образования нанососев из специфических и редких биомаркеров», - сказала соавтор Анастасия Ершова, которая также является доктором философии. ученик под наставником Ши.

«Разработка этого нового метода нанопроизводства является ярким примером того, как Инициатива молекулярной робототехники Института Висса продолжает вдохновляться биологическими системами, в данном случае выращиванием филаментов цитоскелета, и продолжает расширять возможности в этой захватывающей области. Этот прогресс приближает потенциал ДНК-нанотехнологий к решению насущных диагностических проблем, для которых в настоящее время нет решений », - сказал директор-основатель Wyss Дональд Ингбер, доктор медицины, доктор философии, который также является профессором биологии сосудов Гарвардского медицинского университета Джуды Фолкмана. Школа и Бостонская детская больница, а также профессор биоинженерии Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона.

###

Исследование финансировалось Гарвардским институтом биологической инженерии Висса, Национальным научным фондом в рамках награды № 1435964 и № CCF-1317291, Управлением военно-морских исследований по программе № N00014-15-1-0073, № N00014-18-1- 2566 и № N00014-19-1-2345, партнерская награда, Фонд Билла и Мелинды Гейтс (BMGF) / Ragon Global Health Innovation Partnership Award, совместная награда BMGF Stanford / Ragon Sentinel № OPP112622, Совет по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады в рамках награды № PGSD3-502356-2017 и стипендии Александра С. Онассиса для эллинов.

ПРЕССА КОНТАКТЫ

Институт биологической инженерии Висса при Гарвардском университете

Бенджамин Боттнер, [электронная почта защищена], + 1 617-432-8232

Институт биологической инженерии Висса при Гарвардском университете (http: // wyss.Гарвард.edu) использует принципы дизайна Природы для разработки материалов и устройств, созданных с использованием биоинспирации, которые изменят медицину и создадут более устойчивый мир. Исследователи Wyss разрабатывают новые инновационные инженерные решения для здравоохранения, энергетики, архитектуры, робототехники и производства, которые воплощаются в коммерческие продукты и методы лечения благодаря сотрудничеству с клиническими исследователями, корпоративным альянсам и созданию новых стартапов. Институт Висса создает революционные технологические прорывы, участвуя в исследованиях высокого риска и преодолевая дисциплинарные и институциональные барьеры, работая как альянс, который включает Гарвардские школы медицины, инженерии, искусства и науки и дизайна, а также в партнерстве с Медицинским центром Бет Исраэль Дьяконесса, Бригам и женская больница, Бостонская детская больница, Онкологический институт Дана-Фарбер, Массачусетская больница общего профиля, Медицинская школа Массачусетского университета, Реабилитационная больница Сполдинг, Бостонский университет, Университет Тафтса, Шарите - Университет медицины Берлина, Цюрихский университет и Массачусетский технологический институт.