Uutiset

Tutkijat kehittivät DNA:sta älykkään lääkekuljettimen

Uusi tutkimus osoittaa, että DNA-nanorakenteet voivat toimia pH-arvoon reagoivina molekyylikuljettimina ja siten avata mahdollisuuksia lääkeaineiden kuljetukseen elimistössä.
Sulkeutuva DNA-laite, jonka sisälle entsyymi jää suojaan/ Kuva: Veikko Linko, Boxuan Shen, Heini Ijäs
Kuva: Veikko Linko, Boxuan Shen ja Heini Ijäs/Aalto-yliopisto

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
[email protected]

Heini Ijäs
Tohtorikoulutettava
Bio- ja ympäristötieteiden laitos, Nanotiedekeskus, Jyväskylän yliopisto
Biohybridimateriaalien tutkimusryhmä, Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu
[email protected] / [email protected]

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

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Utuinen ihmishahmo näyttää kävelevän pois päin, varjo heijastuu vaalealle pinnalle
Tutkimus ja taide, Opinnot, Yliopisto Julkaistu:

Maisteriopiskelijoiden näyttely Suomen valokuvataiteen museossa

Valokuvataiteen pääaineen maisteriopiskelijoiden MoA in Photography 23 -näyttely on esillä 12. maaliskuuta asti.
Nainen rannalla tuulisella säällä hymyilee, taustalla meri kuohuaa
Nimitykset, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Professori Ranja Hautamäki: ”Monimuotoinen kaupunkiluonto on keskeinen tekijä hyvinvoinnin ja hiilinielujen lisäämiseksi”

Maisema-arkkitehtuurin professori ratkoo ilmastonmuutoksen hillintää ja kaupunkiluonnon hiilinieluja koskevia kysymyksiä.
NASAn Curiosity-mönkijä kuvaama pölypyörre Marsin Gale-kraatterissa. Kuvankäsittely: Henrik Kahanpää. Alkuperäinen kuva: NASA / JPL-Caltech
Tutkimus ja taide, Opinnot Julkaistu:

Marsin sää vaihtelee rajusti, mutta sen ilmasto ei ole muuttumassa

Väitöstutkimuksessaan Henrik Kahanpää myös kyseenalaistaa Marsin pölypyörteisiin liittyvän vallitsevan käsityksen. Tutkijana hän toivoo, että ihminen ei koskaan menisi Marsiin.
A portrait of Laureen Mahler.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Laureen Mahler luo origamitaitosten avulla biopohjaisia ja myös katseita kestäviä pakkauksia

Monet pakkausteollisuuden tuotteet perustuvat muoviin ja muihin fossiilipohjaisiin materiaaleihin. Aalto-yliopiston Bioinnovaatiokeskuksessa kehitetään origamitaitoksiin perustuvia ekologisia pakkausratkaisuja, joilla on arvoa myös kauniina esineinä.