Tutkijat kehittivät DNA:sta älykkään lääkekuljettimen

Aalto-yliopiston ja Jyväskylän yliopiston tutkijat ovat kehittäneet DNA-nanolaitteen, joka voi suorittaa ohjelmoidun tehtävän ihmiskehon kaltaisissa olosuhteissa. Tutkimusryhmä kokosi DNA-molekyyleistä kapselimaisen rakenteen, joka avautuu tai sulkeutuu sitä ympäröivän biologisen ympäristön pH-arvon mukaan. Nanokokoiseen kapseliin voidaan pakata molekyylejä, sulkea se kuljetuksen ajaksi ja jälleen avata kohteessa pienten pH-muutoksien avulla.

 ”Olen jo pitkään halunnut rakentaa DNA-koneen, joka liikkuisi ulkoisen ärsykkeen vaikutuksesta, esimerkiksi käyttäen biologista signaalia. Niinpä jalostimme idean pH-responsiivisista DNA-juosteista hieman pidemmälle ja lopulta osoitimme, että tällaisia juosteita voi käyttää täysin uudenlaisessa yhteydessä”, kertoo dosentti Veikko Linko Aalto-yliopistosta.

Jotta nanokapseli saatiin toimimaan halutulla tavalla, siihen liitettiin niin sanottuja pH-responsiivisia DNA-juosteita. Dynaamisten DNA-laitteiden toiminta perustuu usein DNA:n kaksoiskierteen muodostamiseen yksijuosteisista DNA-sekvensseistä, mutta tässä tutkimuksessa toimintaperiaate oli toisenlainen. Nanokapselin yhteen puoliskoon lisättiin DNA-kaksoiskierre, joka oli suunniteltu siten, että se saattoi muodostaa DNA-kolmoiskierteen kapselin toiseen puolikkaaseen kiinnitetyn yksijuosteisen DNA:n kanssa.

”Tämä kolmoiskierre muodostuu vain, jos liuoksen pH on juuri oikea”, kuvailee tohtorikoulutettava Heini Ijäs.

”Nimitämme näitä juosteita pH-lukoiksi, sillä kun juosteet vuorovaikuttavat keskenään, ne toimivat kuin niiden makroskooppiset vastikkeensa eli lukitsevat kapselin. Lisäsimme kapseliin useita tällaisia lukkoja, ja niinpä avaus- ja sulkemismekanismi perustui useiden lukkojen yhtäaikaiseen toimintaan. Kapselin avaaminen on itse asiassa hyvinkin nopea prosessi ja vaatii vain hyvin pienen pH:n muutoksen”, hän lisää.

Osoittaakseen että kapselilla voidaan kuljettaa molekyylejä tai lääkeaineita, ryhmä suunnitteli kapselin sisään onkalon, johon voidaan liittää minkälaisia molekulaarisia komponentteja tahansa. Tutkijat näyttivät, että esimerkiksi kultananopartikkeleita ja entsyymejä pystyttiin liittämään tämän nanolaitteen sisään (korkea pH), suojaamaan ne sulkemalla kapseli (matala pH) ja edelleen paljastamaan ne avaamalla kapseli (korkea pH). Mittaamalla entsyymien aktiivisuutta ryhmä varmistui siitä, että kapseliin liitetty entsyymi todella pysyi toiminnallisena koko prosessin ajan.

”Kiehtovinta on se, että pH-arvo, jossa avautuminen tai sulkeutuminen tapahtuu, pystytään määrittämään hyvin tarkasti lukkojen DNA-sekvenssien avulla. Tässä työssä valitsimme sekvenssit siten, että pH:n kynnysarvo oli 7.2–7.3, joka on hyvin lähellä veren pH:ta", sanoo Linko. 

Lisäksi tutkimuksessa havaittiin, että kapselit toimivat fysiologisissa magnesium- ja natriumpitoisuuksissa sekä ainakin 10-prosenttisessa veriplasmassa. Tutkijat uskovat, että nämä kaikki edellä kuvaillut tutkimustulokset auttavat kehittämään täysin ohjelmoitavia lääkeainekuljettimia lähitulevaisuudessa.

Tutkimus suoritettiin Aalto-yliopiston professori Mauri Kostiaisen Biohybridimateriaalit-ryhmässä.

Tulokset on julkaistu ACS Nano -lehdessä 16. huhtikuuta 2019.

Kuva:

Vasemmalla: pH-responsiivinen DNA-origamikapseli (sininen) on ladattu entsyymillä (keltainen) korkeassa pH:ssa. pH-lukoissa on kaksi osaa: kaksoiskierre (oranssi) ja yksijuosteinen DNA (vihreä). Oikealla: DNA-laite sulkeutuu pH-arvon laskiessa. Entsyymi on suojassa kapselin sisällä DNA-lukituksen ansiosta. Kapseli voidaan uudestaan avata ja entsyymi paljastaa kun pH-arvoa nostetaan.

Linkit:

Artikkeli: H. Ijäs, et al. “Reconfigurable DNA Origami Nanocapsule for pH-Controlled Encapsulation and Display of Cargo.” https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.9b01857

ACS Nano 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b01857

Lisätiedot:

Veikko Linko
Dosentti
Biohybridimateriaalien tutkimusryhmä, Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu
045 673 9997
veikko.linko@aalto.fi

Heini Ijäs
Tohtorikoulutettava
Bio- ja ympäristötieteiden laitos, Nanotiedekeskus, Jyväskylän yliopisto
Biohybridimateriaalien tutkimusryhmä, Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu
heini.e.ijas@jyu.fi / heini.ijas@aalto.fi

Tutkimusta ovat rahoittaneet Suomen Akatemia, Jane ja Aatos Erkon Säätiö sekä Sigrid Juséliuksen Säätiö.