La capacità di progettare materiali biologici personalizzati come proteine ​​e DNA apre possibilità tecnologiche inimmaginabili solo pochi decenni fa. Per esempio, strutture sintetiche fatte di DNA potrebbero un giorno essere utilizzate per somministrare farmaci antitumorali direttamente alle cellule tumorali, e le proteine ​​personalizzate potrebbero essere progettate per attaccare in modo specifico un certo tipo di virus. Sebbene i ricercatori abbiano già realizzato tali strutture solo con DNA o proteine, un team di Caltech ha recentemente creato, per la prima volta, una struttura sintetica composta sia da proteine ​​che da DNA. La combinazione dei due tipi di molecole in un unico biomateriale apre le porte a numerose applicazioni.

Un documento che descrive il cosiddetto ibridato, o più componenti, materiali appare nel numero del 2 settembre della rivista Natura .

Ci sono molti vantaggi per i materiali a più componenti, dice Yun (Kurt) Mou (PhD '15), primo autore del Natura studio. "Se il tuo materiale è composto da diversi tipi di componenti, può avere più funzionalità. Per esempio, la proteina è molto versatile; può essere usato per molte cose, come le interazioni proteina-proteina o come enzima per accelerare una reazione. E il DNA è facilmente programmabile in nanostrutture di una varietà di dimensioni e forme".

Ma come si inizia a creare qualcosa come un nanofilo di DNA-proteina, un materiale che nessuno ha mai visto prima?

Mou e i suoi colleghi nel laboratorio di Stephen Mayo, Bren Professor di Biologia e Chimica e William K. Bowes Jr. Leadership Chair della Divisione di Biologia e Ingegneria Biologica del Caltech, iniziò con un programma per computer per progettare il tipo di proteina e DNA che avrebbe funzionato meglio come parte del loro materiale ibrido. "I materiali possono essere formati usando solo un metodo per tentativi ed errori di combinare le cose per vedere quali risultati, ma è meglio e più efficiente se puoi prima prevedere com'è la struttura e poi progettare una proteina per formare quel tipo di materiale, " lui dice.

I ricercatori hanno inserito le proprietà del nanofilo proteina-DNA che volevano in un programma per computer sviluppato in laboratorio; il programma ha quindi generato una sequenza di amminoacidi (elementi costitutivi delle proteine) e basi azotate (elementi costitutivi del DNA) che avrebbero prodotto il materiale desiderato.

Però, realizzare con successo un materiale ibrido non è così semplice come collegare alcune proprietà a un programma per computer, dice Mou. Sebbene il modello al computer fornisca una sequenza, il ricercatore deve controllare accuratamente il modello per essere sicuro che la sequenza prodotta abbia un senso; altrimenti, il ricercatore deve fornire al computer le informazioni che possono essere utilizzate per correggere il modello. "Quindi alla fine, scegli la sequenza su cui tu e il computer siete d'accordo. Quindi, puoi mescolare fisicamente gli amminoacidi prescritti e le basi del DNA per formare il nanofilo".

La sequenza risultante era una versione artificiale di un accoppiamento proteina-DNA che si verifica in natura. Nella fase iniziale dell'espressione genica, chiamato trascrizione, una sequenza di DNA viene prima convertita in RNA. Per attirare l'enzima che effettivamente trascrive il DNA in RNA, le proteine ​​chiamate fattori di trascrizione devono prima legare alcune regioni della sequenza del DNA chiamate domini di legame alle proteine.

Utilizzando il programma per computer, i ricercatori hanno progettato una sequenza di DNA che conteneva molti di questi domini che legano le proteine ​​a intervalli regolari. Hanno quindi selezionato il fattore di trascrizione che si lega naturalmente a questo particolare sito di legame proteico, il fattore di trascrizione chiamato Engrailed dal moscerino della frutta Drosophila. Però, in natura, Engrailed si attacca solo al sito di legame proteico sul DNA. Per creare un lungo nanofilo costituito da un filamento continuo di proteine ​​attaccato a un filamento continuo di DNA, i ricercatori hanno dovuto modificare il fattore di trascrizione per includere un sito che consentisse a Engrailed di legarsi anche alla proteina successiva in linea.

"Essenzialmente, è come dare a questa proteina due mani invece di una sola, "Spiega Mou. "La mano che tiene il DNA è facile perché è fornita dalla natura, ma l'altra mano deve essere aggiunta lì per trattenere un'altra proteina".

Un altro attributo unico di questo nuovo nanofilo proteina-DNA è che impiega il coassemblaggio, il che significa che il materiale non si formerà fino a quando sia i componenti proteici che i componenti DNA non saranno stati aggiunti alla soluzione. Sebbene i materiali in precedenza potessero essere fatti di DNA con l'aggiunta di proteine ​​in seguito, l'uso del coassemblaggio per realizzare il materiale ibrido è stato il primo. Questo attributo è importante per l'uso futuro del materiale in medicina o nell'industria, Mou dice, poiché i due set di componenti possono essere forniti separatamente e quindi combinati per realizzare il nanofilo quando e dove è necessario.

Questa scoperta si basa sul lavoro precedente nel laboratorio Mayo, quale, nel 1997, ha creato una delle prime proteine ​​artificiali, lanciando così il campo della progettazione computazionale delle proteine. La capacità di creare proteine ​​sintetiche consente ai ricercatori di sviluppare proteine ​​con nuove capacità e funzioni, come le proteine ​​terapeutiche che colpiscono il cancro. La creazione di un nanofilo proteina-DNA coassemblato è un'altra pietra miliare in questo campo.

"Il nostro lavoro precedente si è concentrato principalmente sulla progettazione di solubili, sistemi di sole proteine. Il lavoro qui riportato rappresenta una significativa espansione delle nostre attività nel regno dei biomateriali misti su scala nanometrica, "dice Mayo.

Sebbene lo sviluppo di questo nuovo biomateriale sia nelle primissime fasi, il metodo, Mou dice, ha molte applicazioni promettenti che potrebbero cambiare la ricerca e le pratiche cliniche in futuro.

"Il nostro prossimo passo sarà esplorare le numerose potenziali applicazioni del nostro nuovo biomateriale, " Dice Mou. "Potrebbe essere incorporato in metodi per fornire farmaci nelle cellule, per creare terapie mirate che si legano solo a un determinato biomarcatore su un certo tipo di cellula, come le cellule cancerose. Potremmo anche espandere l'idea di nanofili di proteina-DNA a nanofili di proteina-RNA che potrebbero essere utilizzati per applicazioni di terapia genica. E poiché questo materiale è nuovo di zecca, probabilmente ci sono molte altre applicazioni che non abbiamo ancora preso in considerazione."