Nuovo strumento per la biologia sintetica: pietra miliare nell'applicazione della nanotecnologia del DNA
Nanorobot di DNA in grado di modificare le cellule artificiali
Gli scienziati dell'Università di Stoccarda sono riusciti a influenzare la struttura e la funzione delle membrane biologiche con l'aiuto di "origami di DNA". Hanno sviluppato una "cassetta degli attrezzi" sintetico-biologica per la manipolazione delle cellule che consente il trasporto di grandi molecole terapeutiche nelle singole cellule. Questo apre una nuova strada per interventi terapeutici mirati in medicina. La professoressa Laura Na Liu e il suo team hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista "Nature Materials".
Nanorobot a DNA riconfigurabili che lavorano su cellule sintetiche.
Universität Stuttgart / 2. Physikalisches Institut
La forma e la morfologia di una cellula svolgono un ruolo chiave nella sua funzione biologica. Ciò corrisponde al principio "la forma segue la funzione", noto anche nei moderni settori del design e dell'architettura. Trasferire questo principio alle cellule artificiali è una sfida per la biologia sintetica. I progressi della nanotecnologia del DNA offrono oggi soluzioni promettenti. Essi consentono di creare nuovi canali di trasporto sufficientemente grandi da facilitare il trasferimento di proteine terapeutiche attraverso le membrane cellulari. In questo nuovo campo di ricerca, scienziati come la prof.ssa Laura Na Liu, direttrice del 2° Istituto di Fisica dell'Università di Stoccarda e borsista dell'Istituto Max Planck per la Ricerca sullo Stato Solido (MPI-FKF), hanno ora sviluppato uno strumento innovativo per modellare la forma e la permeabilità delle membrane lipidiche nelle cellule sintetiche. Le membrane sono costituite da bilayer lipidici che racchiudono un compartimento acquoso e servono come modelli semplificati di cellule biologiche reali. Sono utili per studiare la dinamica delle membrane, le interazioni tra proteine e il comportamento dei lipidi.
Una pietra miliare nell'applicazione della nanotecnologia del DNA
Questo nuovo strumento potrebbe aprire la strada alla creazione di cellule sintetiche funzionali. Il lavoro scientifico di Laura Na Liu mira ad avere un impatto significativo sulla ricerca e sullo sviluppo di nuove terapie. Liu e il suo team sono riusciti a consentire interazioni programmabili con cellule sintetiche utilizzando nanorobot di DNA dipendenti dalla segnalazione. "Questo lavoro rappresenta una pietra miliare nell'applicazione della nanotecnologia del DNA per regolare il comportamento delle cellule", afferma Liu. Il suo team lavora con vescicole unilamellari giganti (GUV), strutture semplici e di dimensioni cellulari che imitano le cellule viventi. Con l'aiuto di nanorobot a DNA, i ricercatori sono riusciti a influenzare la forma e la funzionalità di queste cellule sintetiche.
Nuovi canali di trasporto per proteine ed enzimi
La nanotecnologia del DNA è una delle principali aree di ricerca di Laura Na Liu. È un'esperta di strutture di origami di DNA - filamenti di DNA che vengono piegati utilizzando sequenze di DNA più corte appositamente progettate, note come punti metallici. Il team di Na Liu ha utilizzato le strutture di origami di DNA come nanorobot riconfigurabili che possono cambiare reversibilmente la loro forma e quindi influenzare l'ambiente circostante nell'ordine dei micrometri. I ricercatori hanno scoperto che il rimodellamento dei nanorobot a DNA è accoppiato alla deformazione dei GUV e alla formazione di canali sintetici nella membrana modello. Questi canali permettono il passaggio di grandi molecole attraverso la membrana e possono richiudersi se necessario.
Strutture artificiali complete di DNA per ambienti biologici
"Ora abbiamo la fantastica opportunità di utilizzare le strutture origami del DNA per progettare la forma dei GUV e consentire la formazione di canali di trasporto nelle loro membrane", afferma il Prof. Stephan Nussberger, uno dei coautori dell'articolo. "È estremamente emozionante che il meccanismo funzionale dei nanorobot di DNA sulle GUV non abbia un equivalente biologico diretto nelle cellule viventi", aggiunge Nussberger.
Il lavoro solleva nuove domande: È possibile progettare piattaforme sintetiche - come i nanorobot a DNA - con una complessità minore rispetto alle loro controparti biologiche, pur funzionando in un ambiente biologico?
Comprendere i meccanismi delle malattie e migliorare le terapie
Il lavoro segna un significativo progresso nella nanotecnologia. È stato sviluppato un sistema di canali legati alla membrana che è controllato da nanorobot del DNA e che consente il passaggio efficiente di molecole e sostanze specifiche nelle cellule. L'aspetto particolarmente interessante è che questi canali sono relativamente grandi e possono essere programmati per richiudersi quando necessario. Se applicato alle cellule viventi, il sistema potrebbe consentire il trasporto mirato di proteine o enzimi direttamente nei siti d'azione di una cellula. "Il nostro approccio apre nuove possibilità di imitare il comportamento delle cellule viventi. Questo progresso potrebbe essere decisivo per le future strategie terapeutiche", afferma il Prof. Hao Yan, coautore di questo lavoro.
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