Flexibele DNA-nanoporiën selecteren moleculen op grootte voor transport door celmembraan
Wetenschappers van de TU Delft en het Max Planck Instituut hebben van DNA aanpasbare 'mechanische' poriën gemaakt, die moleculen door celmembranen transporteren. Deze innovatieve nanoporiën openen en sluiten zich op commando en kunnen als eerste nanoporie hun diameter aanpassen. Dit biedt nieuwe mogelijkheden voor biomedische toepassingen, zoals gecontroleerde afgifte van macromoleculen. De bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials.
Ze Yu, postdoc in het lab van Sabina Caneva en eerste auteur, legt uit dat DNA-origami nanoporiën veel gebruikt worden in de biofysica en biotechnologie om eiwitvormen en -samenstellingen te analyseren. Traditionele poriën zijn alleen te smal om macromoleculen zoals geneesmiddelen door te laten én de poriën staan constant open, wat niet ideaal is voor gerichte medicijnafgifte.
Aanpasbare poriën
Caneva en haar team, in samenwerking met het Heuer-Jungmann laboratorium van het Max Plack Institute of Biochemistry, hebben nanoporiën ontworpen en ontwikkeld met een bredere opening van 30 nanometer (MechanoPores), in plaats van de gebruikelijke 4-5 nanometer. “DNA is ideaal materiaal om op kleine schaal mee te bouwen", zegt Yu. “We gebruiken de waterstofbruggen tussen complementaire basenparen om de gewenste structuur met DNA-strengen te maken.” Op deze manier kan met DNA origami-nanotechnologie precieze, voorgeprogrammeerde 2D- en 3D-vormen gebouwd worden.
De grootste uitdaging was om de poriën op commando te laten openen en sluiten. Het team van Caneva gebruikte de flexibele eigenschappen van enkelstrengs DNA om dit te bereiken. Binnenin de porie bevindt zich aan twee kanten een flexibel enkelstrengs DNA-molecuul. Wanneer een complementaire DNA-streng wordt toegevoegd, vormt zich een stijver dubbelstrengs DNA-molecuul (blauw in de afbeelding beneden) dat de porie open duwt en grotere biomoleculen doorlaat. Om de porie te sluiten, worden enkelstrengs DNA-moleculen toegevoegd die complementair zijn aan de DNA-moleculen aan de buitenkant van de porie (paars), waardoor de porie wordt dichtgedrukt.
S.L. (Sabina) Caneva
Ze Yu
Aanpasbare grootte
Volgens Yu is dit de eerste nanoporie die omkeerbaar drie verschillende diameters kan aannemen en daardoor moleculen kan selecteren op basis van grootte. Het onderzoek toont aan dat de porie ook efficiënt kan worden aangestuurd in een membraan, iets wat wetenschappers nog niet eerder hebben bereikt. Hiervoor was een biochemische truc nodig om de MechanoPore over het biomembraan te krijgen, dit werd bevestigd via beeldvorming van de fluorescerende moleculaire stroming door de porie.
Sabina Caneva, assistent-professor aan de faculteit Werktuigbouwkunde, zegt: 'Ons werk is een belangrijke stap in de richting van geavanceerdere dynamische nano-apparaten met potentiële toepassingen binnen de gecontroleerde medicijnafgifte en moleculaire diagnostiek, waar gecontroleerd transport van biologische macromoleculen door grote, stabiele kanalen cruciaal is."
Strikte selectie
De volgende stap is om moleculen niet alleen op grootte te selecteren, maar ook op moleculaire samenstelling. "Er zijn verschillende eiwitten van ongeveer dezelfde grootte. Ons doel is om onderscheid te maken tussen deze eiwitten op basis van moleculaire samenstelling voor een nog selectiever transport door de nanoporie," zegt Yu.
Het onderzoek werd gefinancierd door de NWO-ENW-XS subsidie MechanoPore.
