Maleńka „ręka” złożona z jednego kawałka DNA może niezwykle szybko wykryć wirusa wywołującego COVID-19, a nawet zablokować cząsteczki wirusa przed przedostaniem się do komórek w celu ich zakażenia, donoszą naukowcy z University of Illinois Urbana-Champaign. Nanorobotyczna ręka, nazwana NanoGripper, może być również zaprogramowana do interakcji z innymi wirusami lub rozpoznawania markerów powierzchni komórek w celu ukierunkowanego dostarczania leków, na przykład w leczeniu raka.
Naukowcy pod przewodnictwem Xing Wanga, profesora bioinżynierii i chemii na Uniwersytecie w Illinois, opisują swoje postępy w czasopiśmie Science Robotics .
Zainspirowani mocą chwytu ludzkiej dłoni i ptasich pazurów, naukowcy zaprojektowali NanoGripper z czterema zginanymi palcami i dłonią, wszystko w jednej nanostrukturze złożonej z jednego kawałka DNA. Każdy palec ma trzy stawy, jak palec ludzki, a kąt i stopień zgięcia są określone przez konstrukcję na rusztowaniu DNA.
Chcieliśmy stworzyć miękkiego materiału, robota w skali nano z funkcjami chwytania, których nigdy wcześniej nie widziano, aby wchodzić w interakcje z komórkami, wirusami i innymi cząsteczkami w zastosowaniach biomedycznych — powiedział Wang. Używamy DNA ze względu na jego właściwości strukturalne. Jest mocne, elastyczne i programowalne. Jednak nawet w dziedzinie origami DNA jest to nowatorskie pod względem zasady projektowania. Składamy jeden długi łańcuch DNA w tę i z powrotem, aby stworzyć wszystkie elementy, zarówno statyczne, jak i ruchome, w jednym kroku.
Palce zawierają obszary zwane aptamerami DNA, które są specjalnie zaprogramowane do wiązania się z celami molekularnymi — białkiem kolca wirusa powodującego COVID-19, w przypadku tego pierwszego zastosowania — i powodują zginanie palców, aby owinąć się wokół celu. Po przeciwnej stronie, gdzie znajdowałby się nadgarstek, NanoGripper może przyczepić się do powierzchni lub innego większego kompleksu w zastosowaniach biomedycznych, takich jak wykrywanie lub dostarczanie leków.
Aby stworzyć czujnik wykrywający wirusa COVID-19, zespół Wanga nawiązał współpracę z grupą kierowaną przez profesora inżynierii elektrycznej i komputerowej z Illinois, Briana Cunninghama, który specjalizuje się w bioczujnikach. Połączyli NanoGripper z platformą czujnika kryształu fotonicznego, aby stworzyć szybki, 30-minutowy test COVID-19 o czułości odpowiadającej złotym standardom testów molekularnych qPCR stosowanych w szpitalach, które są dokładniejsze niż testy domowe, ale trwają znacznie dłużej.
Nasz test jest bardzo szybki i prosty, ponieważ wykrywamy nienaruszony wirus bezpośrednio — powiedział Cunningham. Kiedy wirus jest trzymany w dłoni NanoGrippera, cząsteczka fluorescencyjna jest wyzwalana, aby uwolnić światło po oświetleniu przez diodę LED lub laser. Kiedy duża liczba cząsteczek fluorescencyjnych jest skoncentrowana na pojedynczym wirusie, staje się on wystarczająco jasny w naszym systemie detekcji, aby policzyć każdego wirusa indywidualnie.
Oprócz diagnostyki, NanoGripper może mieć zastosowanie w medycynie zapobiegawczej, blokując wirusom przedostawanie się do komórek i infekowanie ich, powiedział Wang. Naukowcy odkryli, że gdy NanoGrippery zostały dodane do hodowli komórkowych, które następnie zostały wystawione na działanie COVID-19, wiele chwytaków owinęło się wokół wirusów. To zablokowało białka kolców wirusowych przed interakcją z receptorami na powierzchni komórek, zapobiegając zakażeniu.
Bardzo trudno byłoby go zastosować po zakażeniu, ale istnieje sposób, w jaki moglibyśmy go wykorzystać jako środek zapobiegawczy — powiedział Wang. Możemy stworzyć przeciwwirusowy związek w postaci sprayu do nosa. Nos jest miejscem występowania wirusów układu oddechowego, takich jak COVID lub grypa. Spray do nosa z NanoGripperem mógłby zapobiec interakcji wdychanych wirusów z komórkami w nosie.
NanoGripper można by łatwo zaprojektować tak, aby atakował inne wirusy, takie jak grypa, HIV lub zapalenie wątroby typu B, powiedział Wang. Ponadto Wang przewiduje wykorzystanie NaoGripper do ukierunkowanego dostarczania leków. Na przykład palce można by zaprogramować tak, aby identyfikowały określone markery nowotworowe, a chwytaki mogłyby przenosić leki przeciwnowotworowe bezpośrednio do komórek docelowych.
To podejście ma większy potencjał niż kilka przykładów, które zaprezentowaliśmy w tej pracy – powiedział Wang. Musielibyśmy wprowadzić pewne zmiany w strukturze 3D, stabilności i ukierunkowanych aptamerach lub nanociałach, ale opracowaliśmy kilka technik, aby to zrobić w laboratorium. Oczywiście wymagałoby to wielu testów, ale potencjalne zastosowania w leczeniu raka i czułość osiągnięta w zastosowaniach diagnostycznych pokazują moc miękkiej nanorobotyki.
Źródło: materiały Uniwersytetu Illinois w Urbanie i Champaign, grafiki w tekście: dzięki uprzejmości Xing Wang
Zostaw komentarz
You must be logged in to post a comment.