7nm DNA「针管」可将药物分子直接注入细胞,来自约翰霍普金斯大学团队
詹士 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI
给人输液很常见,但给细胞「输液」你见过吗?
这两天,约翰霍普金斯一个团队公开一项发明:7nm DNA管道,可用于将药物分子注入细胞。
据称,该管道仅是蚂蚁的200万分之一,在未来,有望将药物、蛋白质和分子精准输送入器官和组织细胞中,且极小的「泄漏」也能避免,不会产生任何副作用。
目前,该研究已登上Science Advances,有外媒评价,在对抗一系列威胁生命的疾病上,该发明意味着我们又迈出重要一步。
具体如何实现的?往下看。
纳米「高速公路」如何建成?
在生命系统中,细胞之间是通过生物膜通道选择性渗透的机制,即跨模转运来完成传输物质的。
在过去,模拟生物膜通道已带有选择性及门控功能,是生物传感、药物输送的强大工具。这种仿生通道由肽、DNA、碳纳米管、金属有机复合物等物质组成,可让离子及小分子实现跨膜转运——
但大多数通道直径小于2nm,无法传输更大的分子物质。
此次,科研者发明的管道基于DNA自组合而成,旨在解决这一问题。
其中,构建管道端口的基础来自于DNA折纸术(DNA origami)。
该项技术在近些年颇受关注,核心原理是将DNA作为一种纳米材料的基本单元,就像建筑基本材料一样。
通过短链DNA相互配对,可构建不同尺度的二三维复杂纳米结构,你可以做出极小的三角形、五角星,甚至是个笑脸:)
应用在生命体物质传输中,其具有结构可控、可精确寻址、易于化学修饰和生物相容性好等特点。
借由该技术,研究者构建了内径7nm的纳米孔,加之DNA修饰及控制纳米孔几何形状,只有特定化学、空间特征的大生物分子可经由通道穿过脂质膜,这样就实现了物质端到端传输,防止了传输物质泄漏。
一旦获得通过,分子会遵从扩散作用,顺着浓度阶梯,从高浓度区域向低浓度区域运动,让物质注入细胞中。
端口之外,通道本体由双交叉的DNA「瓦片」自组装而成,长度设定为微米级,与此前主流成果也不相同。
以往纳米通道长度小于100nm,但为了在不相邻细胞及细胞区室之间建立连接,实现分子交换,研究者将长度设定为微米级,也就是过去多数同类通道的十倍量级以上。
落到实验验证阶段,研究者追踪了荧光染料羧基四甲基罗丹明 (TAMRA) 通过DNA通道进入巨形单层囊泡的情况。
从细胞内外通过物质量来看,他们设计的DNA通道促进了跨膜质运输。
此外,研究者还通过布朗动力学模拟小分子在纳米孔中的渗透情况,结果印证了这项发明的「防泄漏」能力。
在成果应用部分,研究者认为,这种DNA管道在生物传感和药物递送方面的潜在应用,此外,DNA纳米孔的可编程性和特异性可以允许传递目标遗传和信号材料,从而使有效通信成为可能。
团队介绍
最后认识一下该项成果的幕后研究者们。
一作Li Yi,约翰霍普金斯大学,化学与生物分子工程系博士生,本科毕业于华盛顿大学化学工程系。
二作Christopher Maffeo,来自UIUC物理系。
参考链接:
[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq4834
[2]https://studyfinds.org/pipes-to-human-cells/
[3]https://phys.org/news/2022-09-world-tiniest-plumbing-day-funnel.html
— 完 —
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