Το σχήμα και η μορφολογία ενός κυττάρου παίζουν καθοριστικό ρόλο στη βιολογική λειτουργία του. Αυτό αντιστοιχεί στην αρχή «η μορφή ακολουθεί τη λειτουργία», η οποία είναι κοινή στους σύγχρονους τομείς του σχεδιασμού και της αρχιτεκτονικής. Η μεταφορά αυτής της αρχής στα τεχνητά κύτταρα αποτελεί πρόκληση στη συνθετική βιολογία. Οι εξελίξεις στη νανοτεχνολογία του DNA προσφέρουν τώρα πολλά υποσχόμενες λύσεις. Επιτρέπουν τη δημιουργία νέων καναλιών μεταφοράς που είναι αρκετά μεγάλα ώστε να διευκολύνουν τη διέλευση θεραπευτικών πρωτεϊνών διαμέσου των κυτταρικών μεμβρανών.
Σε αυτόν τον αναδυόμενο τομέα, η καθηγήτρια Laura Na Liu, διευθύντρια του 2ου Ινστιτούτου Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Στουτγάρδης και συνεργάτης στο Ινστιτούτο Max Planck για την Έρευνα Στερεάς Κατάστασης (MPI-FKF), έχει αναπτύξει ένα καινοτόμο εργαλείο για τον έλεγχο του σχήματος και της διαπερατότητας των λιπιδικών μεμβρανών σε συνθετικά κύτταρα. Οι μεμβράνες αυτές αποτελούνται από λιπιδικές διπλοστιβάδες που περικλείουν ένα υδατικό διαμέρισμα και χρησιμεύουν ως απλουστευμένα μοντέλα βιολογικών μεμβρανών. Είναι χρήσιμες για τη μελέτη της δυναμικής των μεμβρανών, των πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων και της συμπεριφοράς των λιπιδίων.
Αυτό το νέο εργαλείο μπορεί να ανοίξει το δρόμο για τη δημιουργία λειτουργικών συνθετικών κυττάρων. Το έργο της Laura Na Liu στοχεύει να επηρεάσει σημαντικά την έρευνα και την ανάπτυξη νέων θεραπειών. Η Liu και η ομάδα της κατάφεραν να χρησιμοποιήσουν νανορομπότ DNA που εξαρτώνται από σήματα για να επιτρέψουν προγραμματιζόμενες αλληλεπιδράσεις με συνθετικά κύτταρα.
«Η εργασία αυτή αποτελεί ορόσημο στην εφαρμογή της νανοτεχνολογίας DNA για τη ρύθμιση της συμπεριφοράς των κυττάρων», αναφέρει η Liu.
Η ομάδα εργάζεται με γιγαντιαία μονοκυτταρικά κυστίδια (GUV), τα οποία είναι απλές δομές σε μέγεθος κυττάρου που μιμούνται τα ζωντανά κύτταρα. Χρησιμοποιώντας νανορομπότ DNA, οι ερευνητές μπόρεσαν να επηρεάσουν το σχήμα και τη λειτουργικότητα αυτών των συνθετικών κυττάρων.
Η νανοτεχνολογία DNA είναι ένας από τους κύριους ερευνητικούς τομείς της Laura Na Liu. Είναι ειδικός στις δομές οριγκάμι DNA – κλώνους DNA που διπλώνονται με τη βοήθεια ειδικά σχεδιασμένων μικρότερων αλληλουχιών DNA, των λεγόμενων συνδετήρων. Η ομάδα της Liu χρησιμοποίησε δομές DNA origami ως αναδιαμορφώσιμα νανορομπότ που μπορούν να αλλάζουν αντιστρεπτά το σχήμα τους και έτσι να επηρεάζουν το άμεσο περιβάλλον τους σε κλίμακα μικρομέτρων.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ο μετασχηματισμός αυτών των νανορομπότ DNA μπορεί να συνδυαστεί με την παραμόρφωση των GUVs και τον σχηματισμό συνθετικών καναλιών στις μεμβράνες του μοντέλου GUV. Αυτά τα κανάλια επέτρεπαν σε μεγάλα μόρια να περάσουν μέσα από τη μεμβράνη και μπορούν να επανασφραγιστούν αν χρειαστεί.
«Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε νανορομπότ DNA για να σχεδιάσουμε το σχήμα και τη διαμόρφωση των GUVs ώστε να καταστεί δυνατός ο σχηματισμός καναλιών μεταφοράς στη μεμβράνη», αναφέρει ο καθηγητής Stephan Nussberger.
Η νέα μελέτη αποτελεί ένα σημαντικό βήμα προς αυτή την κατεύθυνση. Το σύστημα των εγκάρσιων μεμβρανικών καναλιών, που δημιουργείται από νανορομπότ DNA, επιτρέπει την αποτελεσματική διέλευση ορισμένων μορίων και ουσιών στα κύτταρα. Το πιο σημαντικό είναι ότι τα κανάλια αυτά είναι μεγάλα και μπορούν να προγραμματιστούν να κλείνουν όταν χρειάζεται.
Όταν εφαρμόζεται σε ζωντανά κύτταρα, το σύστημα αυτό μπορεί να διευκολύνει τη μεταφορά θεραπευτικών πρωτεϊνών ή ενζύμων στους στόχους τους στο κύτταρο. Προσφέρει έτσι νέες δυνατότητες για τη χορήγηση φαρμάκων και άλλων θεραπευτικών παρεμβάσεων.
«Η προσέγγισή μας ανοίγει νέες δυνατότητες για τη μίμηση της συμπεριφοράς των ζωντανών κυττάρων. Αυτή η πρόοδος θα μπορούσε να είναι ζωτικής σημασίας για μελλοντικές θεραπευτικές στρατηγικές», λέει ο καθηγητής Hao Yan, ένας από τους συν-συγγραφείς αυτής της εργασίας. «Είναι εξαιρετικά συναρπαστικό το γεγονός ότι ο λειτουργικός μηχανισμός των νανορομπότ DNA στα GUVs δεν έχει άμεσο βιολογικό ισοδύναμο στα ζωντανά κύτταρα».
[via]
