构建既可作为载体又可作为药物的DNA纳米颗粒

年来，科学家们一直在利用DNA链制造纳米粒子，操纵维持DNA双螺旋形状的键来塑造自组装结构，这些结构有一天可能会在医学上得到令人惊叹的应用。

然而，DNA纳米颗粒的研究主要集中在它们的结构上，将生命的遗传密码转化为制造微型机器人的组件。爱荷华州立大学遗传学、发育和细胞生物学系的两位研究人员——埃里克·亨德森教授和最近的博士研究生吴昌勇——希望通过展示由DNA制成的纳米级材料可以传达其内置的遗传指令来改变这一现状。

Oh说：“到目前为止，大多数人一直从工程角度探索DNA纳米粒子。但很少有人关注这些DNA链中所包含的信息。”

在最近发表在《科学报告》杂志上的一篇论文中，Henderson和Oh描述了他们如何构建能够表达遗传密码的DNA纳米粒子。拥有基因承载能力增加了DNA纳米技术的潜力。

“这些结构既可以是载体，也可以是药物，”亨德森说。

Henderson和Oh表示，他们是世界上第一批创造出表达遗传密码的DNA纳米颗粒的研究团队之一。爱荷华州立大学研究基金会于2023年提交了与该研究相关的专利申请。

成功的结构

亨德森于1987年来到爱荷华州立大学，但在接下来的14年里，他一直致力于创建一家名为BioForceNanosciences的初创公司。2008年全职回到爱荷华州立大学后，他开始研究DNA折纸——一种新开发的方法，利用长单链DNA创建自组装复杂的纳米结构。

亨德森和前研究生迪维塔·马图尔(现为凯斯西储大学助理教授)设计了一种可以检测病原体的纳米机器生物传感器。

这项工作留下了一个挥之不去的想法：这些结构携带的基因怎么样?DNA折纸能否表达自身整合的遗传信息?

第一步是弄清楚如何用具有特定基因序列的单链创建DNA折纸，而不是传统上用于创建纳米粒子的链。

这花了几年时间。Henderson说，下一步是确定RNA聚合酶(一种从DNA代码制造RNA分子的酶)是否可以导航DNA折纸的广泛折叠。一个特别令人担忧的是聚合酶是否会被交叉阻断，交叉是长链DNA通过称为钉书钉的短DNA片段连接的连接点。

“事实证明它们不是，这是违反直觉的，”亨德森说。

虽然交叉和复杂的结构不会阻止RNA生成的转录过程，但DNA纳米结构的设计确实会影响转录效率。Oh说，致密结构产生的RNA较少，这意味着可以对纳米颗粒设计进行微调以抑制或促进预期功能。

“我们可以制造一种高效、有对性的输送系统，该系统在包括癌症治疗在内的许多领域都有潜力，”他说。

经济实惠且耐用

亨德森说，精确度的潜力是DNA纳米粒子成为令人兴奋的可能性的一部分。

“基因编辑非常强大，但编辑基因最困难的部分之一就是只编辑你想要编辑的基因。所以这就是梦想，巧妙地利用这些纳米颗粒来靶向某些细胞和组织，”他说。

然而，DNA纳米粒子还有其他主要优点。它们易于制造、价格低廉且耐用。Oh说，使纳米粒子自组装就像加热混合物并让它冷却一样简单，不需要特殊设备。

部分由于DNA研究的普遍存在，DNA链和订书钉的生产成本低廉。尽管每天都使用它们，亨德森和吴仍在研究几年前从科拉尔维尔一家制造商以几百美元购买的一包订书钉。

亨德森说，这些成分可以粉末形式储存，即使在最具挑战性的条件下，也具有很长的保质期。这是一项很容易传播的技术。

“DNA非常稳定。它是从超过100万年前的样本中回收的，”他说。