Un nuovo modo per costruire pori che attraversano la membrana, usando blocchi di DNA simili a Lego, è stato sviluppato dagli scienziati dell'UCL, in collaborazione con i colleghi dell'Università di Cambridge e dell'Università di Southampton.

L'approccio fornisce uno strumento semplice ea basso costo per la biologia sintetica e la tecnica ha potenziali applicazioni nei dispositivi diagnostici e nella scoperta di farmaci. La ricerca è pubblicata nell'ultimo numero della rivista Angewandte Chemie .

I pori della membrana sono le porte che controllano il trasporto di molecole essenziali attraverso le membrane altrimenti impermeabili che circondano le cellule negli organismi viventi. Tipicamente a base di proteine, pori di diverse dimensioni controllano il flusso di ioni e molecole sia all'interno che all'esterno della cellula come parte del metabolismo di un organismo.

La nostra comprensione dei pori della membrana deriva sia dallo studio di entrambi i pori naturali, e da strutture equivalenti costruite in laboratorio da biologi sintetici. Ma le proteine ​​sintetiche sono notoriamente difficili da gestire a causa dei modi complessi e spesso imprevedibili in cui le loro strutture possono ripiegarsi. Anche il misfolding di proteine ​​minore modifica le proprietà di una proteina, il che significa che la costruzione di pori sintetici dalle proteine ​​può essere rischiosa e richiedere molto tempo.

Un approccio più diretto è la cosiddetta "ingegneria razionale" che utilizza blocchi di DNA simili a Lego. Sebbene generalmente noto come codice genetico della vita, filamenti di DNA, che sono chimicamente molto più semplici delle proteine, sono molto più facili e prevedibili con cui lavorare rispetto alle proteine. In quanto tali, sono un materiale utile per la costruzione di strutture su nanoscala in laboratorio.

"Il DNA è un materiale da costruzione che segue regole molto semplici", ha affermato il dottor Stefan Howorka (UCL Chemistry). "Le nuove nanostrutture possono essere facilmente progettate utilizzando un programma per computer, e gli elementi si incastrano come i mattoncini Lego. Così possiamo costruire più o meno quello che ci piace".

Utilizzando questo approccio, il team ha costruito un minuscolo tubo di soli 14 nanometri di lunghezza e 5,5 nanometri di diametro (circa 10, 000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano). Questo costituiva la parte principale del loro nanoporo artificiale. Però, inserire il tubo in una membrana cellulare, una sfida chiave doveva essere affrontata:la struttura a base di DNA solubile in acqua non si incastrerà nella membrana grassa che è composta da lipidi.

Per superare questo, gli scienziati hanno attaccato chimicamente al tubo del DNA due grandi ancore, costituito da molecole che hanno una naturale affinità per i lipidi. Queste strutture sono state quindi in grado di incorporare il tubo nella membrana. Queste strutture, a base di porfirine di derivazione naturale, sono stati progettati da un gruppo guidato dal dott. Eugen Stulz (Università di Southampton).

"Le molecole di porfirina hanno caratteristiche ideali per i nostri scopi, " Spiega Stulz. "Sono un forte ancoraggio a membrana, che blocca saldamente il nanoporo nella membrana lipidica. Inoltre, sono fluorescenti, il che significa che sono facili da vedere e studiare. Questo li rende superiori ad altre tecnologie."

I pori sono stati caratterizzati con misurazioni elettriche e di fluorescenza in collaborazione con il Dr Ulrich Keyser (Cavendish Laboratory, Cambridge).

La semplicità di autoassemblare una struttura con solo due ancoraggi (studi precedenti utilizzavano 26 o addirittura 72 tali ancoraggi) semplifica notevolmente la progettazione e la sintesi dei nanopori.

"In futuro, questo nuovo processo ci consentirà di adattare i nanopori del DNA per una gamma di applicazioni molto più ampia di quanto sia attualmente possibile, "dice Keyser.

La capacità di creare canali sintetici attraverso le membrane lipidiche consente numerose applicazioni nelle scienze della vita. In primo luogo, I nanopori del DNA sono di grande interesse per il biorilevamento, come l'analisi rapida del DNA.

Ma ci si può anche aspettare che i pori su misura aiutino lo sviluppo di nuovi farmaci. I farmaci prototipo sono in genere progettati per influenzare un bersaglio biologico, ma non sono progettati per attraversare la membrana cellulare. I pori autoassemblati forniscono una via per il passaggio dei farmaci nelle cellule, consentendo uno screening preclinico dell'attività molto più rapido.