Mała, czteropalczasta „ręka” złożona z jednego kawałka DNA może wychwycić wirusa wywołującego COVID-19 w celu bardzo czułego i szybkiego wykrywania, a nawet może zablokować przedostawanie się cząstek wirusa do komórek w celu ich zainfekowania, University of Illinois Urbana-Champaign donoszą badacze. Nanorobotyczną rękę, nazwaną NanoGripper, można również zaprogramować do interakcji z innymi wirusami lub do rozpoznawania markerów powierzchniowych komórek w celu ukierunkowanego dostarczania leków, np. w leczeniu raka.
Naukowcy pod kierunkiem Xing Wanga, profesora bioinżynierii i chemii na Uniwersytecie I., opisują swoje postępy w czasopiśmie Science Robotics.
Zainspirowani siłą chwytu ludzkiej dłoni i ptasich pazurów naukowcy zaprojektowali NanoGripper z czterema zginanymi palcami i dłonią, a wszystko to w jednej nanostrukturze złożonej z jednego kawałka DNA. Każdy palec ma trzy stawy, podobnie jak ludzki palec, a kąt i stopień zgięcia są określone przez wzór na rusztowaniu DNA.
„Chcieliśmy stworzyć robota w skali nano z miękkiego materiału, wyposażonego w funkcje chwytania, których nigdy wcześniej nie widziano, umożliwiającego interakcję z komórkami, wirusami i innymi cząsteczkami na potrzeby zastosowań biomedycznych” – powiedział Wang. „Używamy DNA ze względu na jego właściwości strukturalne. Jest mocny, elastyczny i programowalny. Jednak nawet w dziedzinie origami DNA jest to nowość pod względem zasad projektowania. Składamy jedną długą nić DNA tam i z powrotem, aby całość elementy, zarówno statyczne, jak i ruchome, w jednym kroku.”
Palce zawierają regiony zwane aptamerami DNA, które są specjalnie zaprogramowane do wiązania się z celami molekularnymi – białkiem kolczastym wirusa wywołującego COVID-19 w przypadku tego pierwszego zastosowania – i powodują zginanie się palców w celu owinięcia się wokół celu. Po przeciwnej stronie, w miejscu nadgarstka, NanoGripper można przymocować do powierzchni lub innego większego kompleksu w zastosowaniach biomedycznych, takich jak wykrywanie lub dostarczanie leków.
Aby stworzyć czujnik do wykrywania wirusa COVID-19, zespół Wanga nawiązał współpracę z grupą kierowaną przez profesora inżynierii elektrycznej i komputerowej z Illinois, Briana Cunninghama, który specjalizuje się w bioczujnikach. Połączyli NanoGripper z platformą czujnika kryształu fotonicznego, aby stworzyć szybki, 30-minutowy test na obecność wirusa COVID-19 odpowiadający czułości złotych standardów testów molekularnych qPCR stosowanych w szpitalach, które są dokładniejsze niż testy przeprowadzane w domu, ale trwają znacznie dłużej .
„Nasz test jest bardzo szybki i prosty, ponieważ bezpośrednio wykrywamy nienaruszonego wirusa” – powiedział Cunningham. „Kiedy wirus jest trzymany w dłoni NanoGrippera, cząsteczka fluorescencyjna zostaje pobudzona do uwolnienia światła po oświetleniu diodą LED lub laserem. Kiedy duża liczba cząsteczek fluorescencyjnych koncentruje się na pojedynczym wirusie, w naszym systemie detekcji staje się on wystarczająco jasny, aby policz każdego wirusa indywidualnie.”
Oprócz diagnostyki NanoGripper może mieć zastosowanie w medycynie prewencyjnej, blokując przedostawanie się wirusów do komórek i infekowanie ich, powiedział Wang. Naukowcy odkryli, że po dodaniu NanoGripperów do kultur komórkowych, które następnie wystawiono na działanie wirusa Covid-19, wiele chwytaków owinęło się wokół zewnętrznej części wirusów. Blokowało to interakcję wirusowych białek kolczastych z receptorami na powierzchni komórek, zapobiegając infekcji.
„Bardzo trudno byłoby zastosować go po zakażeniu człowieka, ale istnieje sposób, w jaki moglibyśmy zastosować go jako środek zapobiegawczy” – powiedział Wang. „Moglibyśmy wyprodukować przeciwwirusowy spray do nosa. Nos jest gorącym miejscem dla wirusów układu oddechowego, takich jak COVID czy grypa. Aerozol do nosa z NanoGripperem mógłby zapobiec interakcji wdychanych wirusów z komórkami nosa”.
Wang powiedział, że NanoGripper można z łatwością zaprojektować tak, aby atakował inne wirusy, takie jak grypa, HIV czy wirusowe zapalenie wątroby typu B. Ponadto Wang przewiduje wykorzystanie NaoGrippera do ukierunkowanego dostarczania leków. Na przykład palce można zaprogramować tak, aby identyfikowały określone markery nowotworowe, a chwytaki mogłyby przenosić leki przeciwnowotworowe bezpośrednio do komórek docelowych.
„To podejście ma większy potencjał niż kilka przykładów, które zaprezentowaliśmy w tej pracy” – powiedział Wang. „Musielibyśmy wprowadzić pewne zmiany w strukturze 3D, stabilności i ukierunkowaniu aptamerów lub nanociał, ale opracowaliśmy kilka technik, aby zrobić to w laboratorium. Oczywiście wymagałoby to wielu testów, ale potencjalne zastosowania w leczeniu nowotworów oraz czułość osiągnięta w zastosowaniach diagnostycznych pokazują siłę miękkich nanorobotyków”.
Narodowe Instytuty Zdrowia i Narodowa Fundacja Nauki wsparły tę pracę. Wang i Cunningham są powiązani z Instytutem Biologii Genomicznej Carla R. Woese oraz Laboratorium Mikro i Nanotechnologii Holonyak na Uniwersytecie I.
Nota wydawcy: Aby skontaktować się z Xing Wangiem, wyślij e-mail na adres @illinois.edu” title=”mailto:[email protected]”>[email protected].
Artykuł „Bioinspired designer DNA NanoGripper for Virus Sensing andpotencjalne hamowanie” jest dostępny pod adresem @aaas.org” title=”mailto:[email protected]”>[email protected]. DOI: 10.1126/scirobotic
Praca ta była częściowo wspierana przez granty NIH R21EB031310, R44DE030852 i R21AI166898.