Gli scienziati dell’Università di Stoccarda sono riusciti a controllare la struttura e la funzione delle membrane biologiche con l’aiuto degli “origami di DNA”. Il sistema sviluppato potrebbe facilitare il trasporto di grandi carichi terapeutici nelle cellule. Ciò apre una nuova strada per la somministrazione mirata di farmaci e altri interventi terapeutici. Pertanto, uno strumento molto prezioso può essere aggiunto alla cassetta degli attrezzi della biologia sintetica. La prof. Laura Na Liu e il suo team hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Materiali naturali.
La forma e la morfologia di una cellula svolgono un ruolo chiave nella funzione biologica. Ciò corrisponde al principio “la forma segue la funzione”, comune nei moderni campi del design e dell’architettura. Il trasferimento di questo principio alle cellule artificiali rappresenta una sfida nella biologia di sintesi. I progressi nella nanotecnologia del DNA offrono ora soluzioni promettenti. Permettono la creazione di nuovi canali di trasporto sufficientemente grandi da facilitare il passaggio delle proteine terapeutiche attraverso le membrane cellulari. In questo campo emergente, scienziati come la Prof.ssa Laura Na Liu, direttrice del 2nd Istituto di Fisica dell’Università di Stoccarda e Fellow presso l’Istituto Max Planck per la ricerca sullo stato solido (MPI-FKF), hanno sviluppato uno strumento innovativo per il controllo della forma e della permeabilità delle membrane lipidiche nelle cellule sintetiche. Queste membrane sono costituite da doppi strati lipidici che racchiudono un compartimento acquoso e fungono da modelli semplificati di membrane biologiche. Sono utili per studiare la dinamica delle membrane, le interazioni proteiche 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 a influenzare in modo significativo la ricerca e lo sviluppo di nuove terapie. Liu e il suo team sono riusciti a utilizzare nanorobot a DNA dipendenti dal segnale per consentire interazioni programmabili con cellule sintetiche. “Questo lavoro rappresenta una pietra miliare nell’applicazione della nanotecnologia del DNA per regolare il comportamento cellulare”, afferma Liu. Il team lavora con vescicole unilamellari giganti (GUV), che sono semplici strutture delle dimensioni di una cellula che imitano le cellule viventi. Utilizzando nanorobot a DNA, i ricercatori sono stati in grado di 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 in strutture di origami di DNA: filamenti di DNA che vengono piegati per mezzo di sequenze di DNA più corte appositamente progettate, le cosiddette graffette. Il team di Liu ha utilizzato strutture di origami di DNA come nanorobot riconfigurabili che possono cambiare forma in modo reversibile e quindi influenzare l’ambiente circostante nell’ordine dei micrometri. I ricercatori hanno scoperto che la trasformazione di questi nanorobot del DNA può essere accoppiata con la deformazione delle GUV e la formazione di canali sintetici nelle membrane GUV modello. Questi canali consentono alle molecole di grandi dimensioni di passare attraverso la membrana e possono essere richiusi se necessario.
Strutture di DNA completamente artificiali per ambienti biologici
“Ciò significa che possiamo utilizzare nanorobot a DNA per progettare la forma e la configurazione delle GUV per consentire la formazione di canali di trasporto nella membrana”, afferma il prof. Stephan Nussberger, coautore di questo lavoro. “È estremamente interessante che il meccanismo funzionale dei nanorobot a DNA sulle GUV non abbia un equivalente biologico diretto nelle cellule viventi”, aggiunge Nussberger.
Il nuovo lavoro solleva nuove domande: le piattaforme sintetiche – come i nanorobot a DNA – potrebbero essere progettate con meno complessità rispetto alle loro controparti biologiche, e funzionerebbero comunque in un ambiente biologico?
Comprendere i meccanismi della malattia e migliorare le terapie
Il nuovo studio è un passo importante in questa direzione. Il sistema di canali incrociati della membrana, creato dai nanorobot del DNA, consente un passaggio efficiente di determinate molecole e sostanze nelle cellule. Ancora più importante, questi canali sono grandi e possono essere programmati per chiudersi quando necessario. Quando applicato alle cellule viventi, questo sistema può facilitare il trasporto di proteine o enzimi terapeutici verso i loro bersagli nella cellula. Offre quindi nuove possibilità per la somministrazione di farmaci e altri interventi terapeutici. “Il nostro approccio apre nuove possibilità per imitare il comportamento delle cellule viventi. Questo progresso potrebbe essere cruciale per le future strategie terapeutiche”, afferma il prof. Hao Yan, uno dei coautori di questo lavoro.
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