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  • I Lego programmabili di DNA e blocchi di proteine ​​creano nuove gabbie 3D

    Questa proteina-DNA 'Lego' è stata co-assemblata con una struttura di DNA triangolare recante tre bracci complementari ai manici, risultando in gabbie tetraedriche composte da sei lati del DNA ricoperti dal trimero proteico. Credito:Nicholas Stephanopoulos

    L'obiettivo centrale della nanotecnologia è la manipolazione di materiali su scala atomica o molecolare, soprattutto per costruire dispositivi o strutture microscopiche. Le gabbie tridimensionali sono uno degli obiettivi più importanti, sia per la loro semplicità che per la loro applicazione come veicolanti di farmaci per la medicina. La nanotecnologia del DNA utilizza molecole di DNA come "Lego" programmabili per assemblare strutture con un controllo non possibile con altre molecole.

    Però, la struttura del DNA è molto semplice e manca della diversità delle proteine ​​che compongono la maggior parte delle gabbie naturali, come i virus. Sfortunatamente, è molto difficile controllare l'assemblaggio delle proteine ​​con la precisione del DNA. Questo è, fino a poco tempo fa. Nicholas Stephanopoulos, assistente professore presso il Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics dell'Arizona State University, e la School of Molecular Sciences, e il suo team ha costruito una gabbia costituita da elementi costitutivi sia di proteine ​​che di DNA attraverso l'uso di coniugati covalenti proteina-DNA.

    In un articolo pubblicato su ACS Nano , Stephanopoulos ha modificato una proteina omotrimerica (un enzima naturale chiamato KDPG aldolasi) con tre identiche maniglie di DNA a singolo filamento funzionalizzando un residuo reattivo di cisteina che hanno introdotto sulla superficie della proteina. Questa proteina-DNA "Lego" è stata co-assemblata con una struttura di DNA triangolare recante tre bracci complementari ai manici, risultando in gabbie tetraedriche composte da sei lati del DNA ricoperti dal trimero proteico. Le dimensioni della gabbia potevano essere regolate attraverso il numero di giri per braccio di DNA e le strutture ibride sono state purificate e caratterizzate per confermare la struttura tridimensionale.

    Le gabbie sono state anche modificate con il DNA usando la chimica dei clic, che è un tipo personalizzato di chimica, creare elementi rapidamente con grande affidabilità unendo insieme unità microscopiche dimostrando la generalità del metodo.

    Professore assistente Nicholas Stephanopoulos. Credito:Nicholas Stephanopoulos

    "L'approccio del mio laboratorio consentirà la costruzione di nanomateriali che possiedono i vantaggi della nanotecnologia delle proteine ​​e del DNA, e trovare applicazioni in campi come la consegna mirata, biologia strutturale, biomedicina, e materiali catalitici, " Disse Stephanopoulos.

    Stephanopoulos e il suo team vedono un'opportunità con le gabbie ibride, che fondono blocchi di proteine ​​autoassemblanti con uno scaffold sintetico di DNA, che potrebbero combinare la bioattività e la diversità chimica della prima con la programmabilità della seconda. Ed è quello che hanno deciso di creare:una struttura ibrida costruita attraverso la coniugazione chimica dell'oligonucleotide (un filamento di DNA sintetico) che si impugna su un blocco di proteine. La base triangolare che porta tre maniglie complementari di DNA a singolo filamento viene autoassemblata e purificata separatamente riscaldandola per alterarne le proprietà.

    "Abbiamo pensato che progettando questi due mattoni purificati, si incastrerebbero spontaneamente insieme in modo programmabile, utilizzando le proprietà di riconoscimento delle maniglie del DNA, " Stephanopoulos ha detto. "Era particolarmente critico utilizzare una proteina altamente stabile termicamente come questa aldolasi, perché questo autoassemblaggio funziona solo a 55 gradi Celsius, e molte proteine ​​si disgregano a quelle temperature."

    Un altro vantaggio del DNA, che non è possibile con le proteine, sta mettendo a punto le dimensioni della gabbia senza dover riprogettare tutti i componenti. Stephanopoulos continuò, "La dimensione di questo assemblaggio potrebbe quindi essere sintonizzata razionalmente modificando la lunghezza di ciascun bordo del DNA, considerando che la proteina fornirebbe un'impalcatura per l'attacco di piccole molecole, bersagliando peptidi o anche proteine ​​di fusione".

    Mentre esistono altri esempi di strutture ibride, questa particolare gabbia è la prima costruita attraverso la coniugazione chimica di maniglie oligonucleotidiche su un blocco di proteine. Questa strategia può in linea di principio essere estesa a un'ampia gamma di proteine ​​(alcune con capacità di mirare al cancro, Per esempio). Così, Il lavoro di Stephanopoulos ha il potenziale per consentire un campo ibrido completamente nuovo di nanotecnologia proteina-DNA con applicazioni non possibili né con le proteine ​​né con il solo DNA.


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