NanoGripper, nanorobot oparty na DNA, szybko wykrywa i blokuje wirusy, m.in COVID 19i może zrewolucjonizować diagnostykę, profilaktykę i terapie celowane.
Mała, czteropalczasta „dłoń” wykonana z jednego kawałka… DNAmoże uchwycić wirus odpowiedzialnych za Covid-19, umożliwiając bardzo czułe i szybkie wykrywanie. Według naukowców z Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign dłoń ta może nawet blokować przedostawanie się cząsteczek wirusa do komórek i infekowanie ich. Tę nanorobotyczną rękę, nazwaną NanoGripper, można również zaprogramować do interakcji z innymi wirusami lub identyfikowania markerów na powierzchni komórek, potencjalnie umożliwiając ukierunkowane dostarczanie leków, na przykład w leczeniu raka.
Naukowcy pod kierunkiem Xing Wanga, profesora bioinżynierii i chemii na Uniwersytecie I., opisują swoje postępy w czasopiśmie Nauka Robotyka.
Zainspirowani siłą chwytu ludzkiej dłoni i ptasich pazurów naukowcy zaprojektowali NanoGripper z czterema zginanymi palcami i dłonią, a wszystko to w jednej nanostrukturze złożonej z jednego kawałka DNA. Każdy palec ma trzy stawy, podobnie jak ludzki palec, a kąt i stopień zgięcia są określone przez wzór na rusztowaniu DNA.
„Chcieliśmy stworzyć miękki materiał, nanoskala robot z funkcjami chwytającymi, których nigdy wcześniej nie widziano, do interakcji z komórkami, wirusami i innymi cząsteczkami do zastosowań biomedycznych” – powiedział Wang. „Używamy DNA ze względu na jego właściwości strukturalne. Jest mocny, elastyczny i programowalny. Jednak nawet w dziedzinie origami DNA jest to nowość pod względem zasady projektowania. Składamy jedną długą nić DNA tam i z powrotem, aby w jednym kroku utworzyć wszystkie elementy, zarówno te statyczne, jak i ruchome.
Zastosowania w wykrywaniu wirusów
Palce zawierają regiony zwane aptamerami DNA, które są specjalnie zaprogramowane do wiązania się z celami molekularnymi – w przypadku tego pierwszego zastosowania – białkiem kolczastym wirusa wywołującego COVID-19 – i powodują zginanie się palców w celu owinięcia się wokół celu. Po przeciwnej stronie, w miejscu nadgarstka, NanoGripper można przymocować do powierzchni lub innego większego kompleksu w zastosowaniach biomedycznych, takich jak wykrywanie lub dostarczanie leków.
Aby stworzyć czujnik do wykrywania 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 na obecność wirusa COVID-19 odpowiadający czułości złotych standardów testów molekularnych qPCR stosowanych w szpitalach, które są dokładniejsze niż testy przeprowadzane w domu, ale trwają znacznie dłużej .
„Nasz test jest bardzo szybki i prosty, ponieważ bezpośrednio wykrywamy nienaruszonego wirusa” – powiedział Cunningham. „Kiedy wirus jest trzymany w dłoni NanoGrippera, następuje aktywacja fluorescencyjnej cząsteczki, która po oświetleniu diodą LED lub laserem uwalnia światło. Kiedy duża liczba cząsteczek fluorescencyjnych koncentruje się na pojedynczym wirusie, w naszym systemie detekcji staje się on wystarczająco jasny, aby policzyć każdego wirusa z osobna”.
Medycyna zapobiegawcza i potencjalne terapie
Oprócz diagnostyki NanoGripper może mieć zastosowanie w medycynie prewencyjnej, blokując przedostawanie się wirusów do komórek i infekowanie ich, powiedział Wang. Naukowcy odkryli, że po dodaniu NanoGripperów do kultur komórkowych, które następnie wystawiono na działanie wirusa Covid-19, wiele chwytaków owinęło się wokół zewnętrznej części wirusów. Blokowało to interakcję wirusowych białek kolczastych z receptorami na powierzchni komórek, zapobiegając infekcji.
„Bardzo trudno byłoby zastosować go po zakażeniu człowieka, ale istnieje sposób, w jaki moglibyśmy zastosować go jako środek zapobiegawczy” – powiedział Wang. „Moglibyśmy wyprodukować przeciwwirusowy spray do nosa. Nos jest gorącym miejscem dla wirusów układu oddechowego, takich jak COVID czy grypa. Aerozol do nosa z NanoGripperem może zapobiec interakcji wdychanych wirusów z komórkami nosa”.
Wang powiedział, że NanoGripper można z łatwością zaprojektować tak, aby atakował inne wirusy, takie jak grypa, HIV czy wirusowe zapalenie wątroby typu B. Ponadto Wang przewiduje wykorzystanie NaoGrippera do ukierunkowanego dostarczania leków. Na przykład palce można 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 ukierunkowaniu aptamerów lub nanociał, ale opracowaliśmy kilka technik, aby zrobić to w laboratorium. Oczywiście wymagałoby to wielu testów, ale potencjalne zastosowania w leczeniu raka i czułość osiągana w zastosowaniach diagnostycznych pokazują siłę miękkich nanorobotyki”.
Odniesienie: „Inspirowany biologią projektant DNA NanoGripper do wykrywania wirusów i potencjalnego hamowania” autorstwa Lifeng Zhou, Yanyu Xiong, Abhisek Dwivedy, Mengxi Zheng, Laura Cooper, Skye Shepherd, Tingjie Song, Wei Hong, Linh TP Le, Xin Chen, Saurabh Umrao, Lijun Rong, Tong Wang, Brian T. Cunningham i Xing Wang, 27 listopada 2024 r., Nauka Robotyka.
DOI: 10.1126/scirobotics.adi2084
The Narodowe Instytuty Zdrowia a National Science Foundation wsparła tę pracę. Wang i Cunningham są związani z Instytut Biologii Genomicznej Carla R. Woese’a i Laboratorium Mikro i Nanotechnologii Holonyak na Uniwersytecie I.
