Il DNA ha un compito importante:dice alle cellule quali proteine ​​produrre. Ora, un team di ricerca dell'Università del Delaware ha sviluppato una tecnologia per programmare filamenti di DNA in interruttori che attivano e disattivano le proteine.

Il Wilfred Chen Group di UD descrive i loro risultati in un articolo pubblicato lunedì, 12 marzo sul diario Chimica della natura . Questa tecnologia potrebbe portare allo sviluppo di nuove terapie contro il cancro e altri farmaci.

Calcolare con il DNA

Questo progetto attinge a un campo emergente noto come calcolo del DNA. Dati che comunemente inviamo e riceviamo nella vita di tutti i giorni, come messaggi di testo e foto, utilizzare codice binario, che ha due componenti:uno e zero. Il DNA è essenzialmente un codice con quattro componenti, i nucleotidi guanina, adenina, citosina, e timina. Nelle cellule, la disposizione di questi quattro nucleotidi determina l'output, le proteine ​​prodotte dal DNA. Qui, gli scienziati hanno riproposto il codice del DNA per progettare circuiti del DNA a controllo logico.

"Una volta progettato il sistema, dovevamo prima andare in laboratorio e attaccare questi filamenti di DNA a varie proteine ​​che volevamo essere in grado di controllare, " ha detto l'autore dello studio Rebecca P. Chen, uno studente di dottorato in ingegneria chimica e biomolecolare (nessuna relazione con Wilfred Chen). I filamenti di DNA progettati con sequenza personalizzata sono stati ordinati da un produttore mentre le proteine ​​sono state prodotte e purificate in laboratorio. Prossimo, la proteina è stata attaccata al DNA per creare coniugati proteina-DNA.

Il gruppo ha quindi testato i circuiti del DNA su batteri di E. coli e cellule umane. Le proteine ​​bersaglio organizzate, assemblato, e smontato in conformità con il loro design.

"Il lavoro precedente ha mostrato quanto potrebbe essere potente la nanotecnologia del DNA, e sappiamo quanto siano potenti le proteine ​​all'interno delle cellule, " ha detto Rebecca P. Chen. "Siamo riusciti a collegare quei due insieme."

Applicazioni alla somministrazione di farmaci

Il team ha anche dimostrato che i loro dispositivi logici del DNA potrebbero attivare un profarmaco antitumorale non tossico, 5-fluorocitosina, nella sua forma chemioterapica tossica, 5-fluorouracile. I profarmaci antitumorali sono inattivi finché non vengono metabolizzati nella loro forma terapeutica. In questo caso, gli scienziati hanno progettato circuiti del DNA che controllavano l'attività di una proteina responsabile della conversione del profarmaco nella sua forma attiva. Il circuito del DNA e l'attività proteica sono stati "attivati" da specifici input di sequenza RNA/DNA, mentre in assenza di detti ingressi il sistema rimaneva "spento".

Per fare questo, gli scienziati hanno basato i loro input di sequenza su microRNA, piccole molecole di RNA che regolano l'espressione genica cellulare. Il microRNA nelle cellule tumorali contiene anomalie che non si troverebbero nelle cellule sane. Per esempio, alcuni microRNA sono presenti nelle cellule tumorali ma assenti nelle cellule sane. Il gruppo ha calcolato come dovrebbero essere disposti i nucleotidi per attivare il profarmaco del cancro in presenza di microRNA del cancro, ma rimani inattivo e non tossico in un ambiente non canceroso dove mancano i microRNA. Quando i microRNA del cancro erano presenti e in grado di attivare il circuito del DNA, le cellule non erano in grado di crescere. Quando il circuito è stato spento, le cellule sono cresciute normalmente.

Questa tecnologia potrebbe avere ampie applicazioni non solo per altre malattie oltre al cancro, ma anche oltre il campo biomedico. Per esempio, il team di ricerca ha dimostrato che la loro tecnologia potrebbe essere applicata alla produzione di biocarburanti, utilizzando la loro tecnologia per guidare una cascata enzimatica, una serie di reazioni chimiche, per abbattere una fibra vegetale.

Utilizzando la tecnologia di nuova concezione, i ricercatori potrebbero prendere di mira qualsiasi sequenza di DNA di loro scelta e attaccare e controllare qualsiasi proteina vogliano. un giorno, i ricercatori potrebbero "plug and play" programmato il DNA in una varietà di cellule per affrontare una varietà di malattie, ha detto l'autore dello studio Wilfred Chen, Gore Professore di Ingegneria Chimica.

"Questo si basa su un concetto molto semplice, una combinazione logica, ma siamo i primi a farlo funzionare, " ha detto. "Può affrontare una vasta gamma di problemi, e questo lo rende molto intrigante".