Skonstruowanie malutkiego robota z DNA i wykorzystanie go do badania procesów komórkowych niewidocznych gołym okiem… Można by pomyśleć, że to science fiction, ale w rzeczywistości jest to temat poważnych badań naukowców z Inserm, CNRS i Université de Montpellier w Centrum Biologii Strukturalnej w Montpellier[1]. Ten wysoce innowacyjny „nanorobot” powinien umożliwić dokładniejsze badanie sił mechanicznych przyłożonych na poziomie mikroskopowym, które mają kluczowe znaczenie dla wielu procesów biologicznych i patologicznych. Zostało to opisane w nowym badaniu opublikowanym w Nature Communications.
Nasze komórki podlegają siłom mechanicznym wywieranym na skalę mikroskopową, wyzwalając sygnały biologiczne niezbędne dla wielu procesów komórkowych zaangażowanych w normalne funkcjonowanie naszego organizmu lub rozwój chorób.
Na przykład odczucie dotyku jest częściowo uwarunkowane działaniem sił mechanicznych na określone receptory komórkowe (czego odkrycie zostało w tym roku nagrodzone Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny). Oprócz dotyku te receptory wrażliwe na siły mechaniczne (znane jako mechanoreceptory) umożliwiają regulację innych kluczowych procesów biologicznych, takich jak zwężenie naczyń krwionośnych, odczuwanie bólu, oddychanie, a nawet wykrywanie fal dźwiękowych w uchu itp.
Dysfunkcja tej mechanowrażliwości komórkowej jest związana z wieloma chorobami – na przykład rakiem: komórki rakowe migrują w organizmie poprzez sondowanie i ciągłe dostosowywanie się do mechanicznych właściwości ich mikrośrodowiska. Taka adaptacja jest możliwa tylko dlatego, że określone siły są wykrywane przez mechanoreceptory, które przekazują informację do cytoszkieletu komórki.
Obecnie nasza wiedza na temat mechanizmów molekularnych związanych z mechanowrażliwością komórek jest nadal bardzo ograniczona. Dostępnych jest już kilka technologii do stosowania kontrolowanych sił i badania tych mechanizmów, ale mają one szereg ograniczeń. W szczególności są one bardzo kosztowne i nie pozwalają na jednoczesne badanie kilku receptorów komórkowych, co sprawia, że ich użycie jest bardzo czasochłonne, jeśli chcemy zebrać dużo danych.
Struktury origami DNA
Aby zaproponować alternatywę, zespół badawczy kierowany przez badacza Inserm Gaëtana Bellota z Centrum Biologii Strukturalnej (Inserm/CNRS/Université de Montpellier) zdecydował się na zastosowanie metody origami DNA. Umożliwia to samoorganizację nanostruktur 3D w predefiniowanej formie z wykorzystaniem cząsteczki DNA jako materiału konstrukcyjnego. W ciągu ostatnich dziesięciu lat technika ta umożliwiła znaczne postępy w dziedzinie nanotechnologii.
Umożliwiło to naukowcom zaprojektowanie „nano-robota” złożonego z trzech struktur origami DNA. Ma rozmiar nanometryczny, dzięki czemu jest zgodny z rozmiarem komórki ludzkiej. Po raz pierwszy umożliwia przyłożenie i kontrolowanie siły z rozdzielczością 1 pikonewtona, czyli jedną bilionową Newtona – przy czym 1 Newton odpowiada sile kliknięcia palcem pióra. Po raz pierwszy wykonany przez człowieka, samoorganizujący się obiekt oparty na DNA może zastosować siłę z taką dokładnością.
Zespół rozpoczął od sprzężenia robota z cząsteczką, która rozpoznaje mechanoreceptor. Umożliwiło to skierowanie robota do niektórych naszych komórek, a konkretnie przyłożenie sił do docelowych mechanoreceptorów zlokalizowanych na powierzchni komórek w celu ich aktywacji.
Takie narzędzie jest bardzo cenne dla badań podstawowych, ponieważ mogłoby posłużyć do lepszego zrozumienia mechanizmów molekularnych związanych z mechanowrażliwością komórek i odkrycia nowych receptorów komórkowych wrażliwych na siły mechaniczne. Dzięki robotowi naukowcy będą również mogli dokładniej badać, w jakim momencie, przy zastosowaniu siły, na poziomie komórkowym aktywowane są kluczowe ścieżki sygnałowe dla wielu procesów biologicznych i patologicznych.
„Projekt robota umożliwiającego zastosowanie sił pikonewtonowych in vitro i in vivo spełnia rosnące zapotrzebowanie w środowisku naukowym i stanowi duży postęp technologiczny. Jednak biokompatybilność robota można uznać zarówno za zaletę w zastosowaniach in vivo, ale może również oznaczać słabość związaną z wrażliwością na enzymy, które mogą degradować DNA.Więc naszym następnym krokiem będzie zbadanie, w jaki sposób możemy zmodyfikować powierzchnię robota, aby była mniej wrażliwa na działanie enzymów.Postaramy się również znaleźć inne tryby aktywacji naszego robota za pomocą np. pola magnetycznego – podkreśla Bellot.
[1] Wkład w badania wnieśli także: Instytut Genomiki Funkcjonalnej (CNRS/Inserm/Université de Montpellier), Instytut Biomolecules Maxa Mousseron (CNRS/Université de Montpellier/ENSCM), Centrum Badawcze Paula Pascala (CNRS/Université de Bordeaux) oraz Fizjologia i medycyna eksperymentalna: Laboratorium mięśnia sercowego (CNRS/Inserm/Université de Montpellier).