Forscher am RNA Institute der Universität Albany haben einen neuen Ansatz für den Aufbau von DNA-Nanostrukturen demonstriert, der kein Magnesium erfordert. Die Methode verbessert die Biostabilität der Strukturen und macht sie für eine Reihe von Anwendungen nützlicher und zuverlässiger. Die Arbeit erscheint in der Zeitschrift Klein diesen Monat.
Wenn wir an DNA denken, kommt uns als Erstes wahrscheinlich die Genetik in den Sinn – die Doppelhelixstruktur in Zellen, die den Bauplan eines Organismus für Wachstum und Fortpflanzung enthält. Ein sich schnell entwickelnder Bereich der DNA-Forschung sind DNA-Nanostrukturen – synthetische Moleküle, die aus denselben Bausteinen wie die DNA lebender Zellen bestehen und so konstruiert werden, dass sie kritische Herausforderungen in Anwendungen lösen, die von der medizinischen Diagnostik und Arzneimittelabgabe bis hin zur Materialwissenschaft reichen und Datenspeicherung.
„In dieser Arbeit haben wir DNA-Nanostrukturen ohne die Verwendung von Magnesium zusammengesetzt, das typischerweise in diesem Prozess verwendet wird, aber mit Herausforderungen verbunden ist, die letztendlich den Nutzen der hergestellten Nanostrukturen verringern“, sagte Arun Richard Chandrasekaran, korrespondierender Autor der Studie und leitender Forschungsmitarbeiter Wissenschaftler am RNA-Institut.
„Zum Beispiel kann Magnesium dazu führen, dass DNA-Nanopartikel verklumpen, was die Eigenschaften des verabreichten Medikaments verändert. Dies kann die Medikamentenbeladung im Körper beeinträchtigen und letztendlich die Wirksamkeit des Medikaments verringern. Magnesium kann auch die Aktivität von Enzymen im Körper steigern.“ die die DNA abbauen und so die Lebensdauer der Nanostrukturen im Körper verkürzen.“
Das Forschungsteam, zu dem auch Wissenschaftler der University of Illinois Urbana-Champaign gehörten, baute vier Arten von DNA-Nanostrukturen in sechs verschiedenen Metallionen zusammen, darunter Kalzium, Barium, Natrium, Kalium und Lithium sowie Magnesium.
„Wir haben herausgefunden, dass DNA-Nanostrukturen, die aus einwertigen Ionen (Natrium, Kalium, Lithium) zusammengesetzt sind, viel biostabiler sind als solche, die aus zweiwertigen Ionen (Magnesium und Kalzium) zusammengesetzt sind“, sagte Chandrasekaran.
„Wir haben die breite Anwendbarkeit unserer Erkenntnisse demonstriert, indem wir mit diesen unterschiedlichen Ionen vier Arten von DNA-Nanostrukturen unterschiedlicher Komplexität und Größe zusammengesetzt haben. Diese reichten von kleinen DNA-Motiven wie dem Doppel-Crossover-Motiv und dem Dreipunkt-Stern-Motiv bis hin zu größeren Anordnungen wie …“ als DNA-Tetraeder und DNA-Origami-Dreieck.“
„Der Aufbau von Strukturen, die dem Abbau durch Nukleasen standhalten können, wie die, die wir hier zusammengestellt haben, wäre für biologische Anwendungen nützlich, etwa bei der Arzneimittelabgabe, bei der DNA-Nanostrukturen, die als Arzneimittelträger verwendet werden, intakt sein müssen, bis sie das Arzneimittel am Ziel abgeben Websites.“
„Unsere Arbeit konzentriert sich auf die Identifizierung von Bedingungen, die zum Aufbau wirksamer Arzneimittelabgabesysteme genutzt werden können“, sagte Arlin Rodriguez, Erstautor der Studie und Spezialist für Forschungsunterstützung in Chandrasekarans Labor am RNA Institute.
„Ein wichtiger Aspekt, der in dieser Studie hervorgehoben wird, ist die Widerstandsfähigkeit von in monovalenten Ionen zusammengesetzten Nanostrukturen gegen den Abbau durch Nukleasen, was nützlich ist, um Schäden an diesen Strukturen in Gegenwart einer Nuklease zu verhindern. Diese Verbesserung der Haltbarkeit der Nanostrukturen kann dazu beitragen, die Arzneimittelfreisetzung im Körper zu optimieren.“ .“
„Magnesium war traditionell das primäre Ion, das beim Aufbau von DNA-Nanostrukturen verwendet wurde“, sagte Co-Erstautor Dhanush Gandavadi, ein Ph.D. Student an der University of Illinois Urbana-Champaign. „Da wir uns jedoch ausschließlich auf Magnesium beschränkt haben, haben wir Möglichkeiten für den Aufbau von DNA-Nanostrukturen mithilfe alternativer Ionen übersehen.“
„Unsere Studie erweitert den Horizont des DNA-Nanostrukturdesigns und erleichtert die Entwicklung überlegener Arzneimittelabgabesysteme durch die Erforschung verschiedener Ionen“, sagte Mitautor Xing Wang, Fakultätsmitglied für Bioingenieurwesen und Chemie an der University of Illinois Urbana-Champaign.
„Darüber hinaus beleuchtet unsere Studie den Einfluss verschiedener Ionen auf die Stabilität und Kompaktheit von DNA-Origami-Nanostrukturen und erweitert so unser Verständnis ihrer grundlegenden Eigenschaften.“
Als nächstes plant das Team, den Nanostrukturaufbau in einer Vielzahl von Metallionen weiter zu optimieren, um höhere Zusammenbauausbeuten zu erzielen, und die Biostabilität von Strukturen zu testen, die in Abwesenheit von Magnesium in Zellen zusammengesetzt werden.
Mehr Informationen:
Arlin Rodriguez et al., Selbstorganisation von DNA-Nanostrukturen in verschiedenen Kationen, Klein (2023). DOI: 10.1002/small.202300040