Alcuni laboratori di biochimica modellano le proteine ​​in forme complesse, costruire l'equivalente nanotecnologico del DNA dell'architettura barocca o rococò. Yamuna Krishnan, però, predilige dispositivi strutturalmente minimalisti.

"La filosofia del nostro laboratorio è quella del design minimalista, " disse Krishnan, professore di chimica. "Confina con il brutalismo. Funzionale con zero campanelli e fischietti. Ci sono diversi laboratori che disegnano il DNA in forme meravigliose, ma dentro un sistema vivente, hai bisogno di meno DNA possibile per portare a termine il lavoro."

Quel lavoro è agire come capsule per la somministrazione di farmaci o come strumenti diagnostici biomedici.

Nel 2011, Krishnan e il suo gruppo, poi al Centro Nazionale di Scienze Biologiche di Bangalore, India, è diventato il primo a dimostrare il funzionamento di una nanomacchina a DNA all'interno di un organismo vivente. Questa nanomacchina, chiamato I-switch, misurato il pH subcellulare con un alto grado di accuratezza. Dal 2011, Krishnan e il suo team hanno sviluppato una gamma di sensori di pH, ciascuno collegato al pH dell'organello bersaglio.

La scorsa estate, il team ha riportato un altro risultato:lo sviluppo di un nanosensore di DNA in grado di misurare la concentrazione fisiologica di cloruro con un alto grado di precisione.

"Yamuna Krishnan è uno dei principali professionisti della nanotecnologia del DNA biologicamente orientata, " disse Nadrian Seeman, il padre del campo e il professore di chimica Margaret e Herman Sokol alla New York University. "Questi tipi di sensori intracellulari sono unici per quanto ne so, e rappresentano un importante progresso per il campo della nanotecnologia del DNA."

Sensore di cloruro

Il cloruro è il singolo più abbondante, solubile, molecola carica negativamente nel corpo. Eppure, fino a quando il gruppo di Krishnan non ha introdotto il suo sensore di cloruro, chiamato Clensor, non c'era un modo efficace e pratico per misurare le riserve intracellulari di cloruro.

"Ciò che è particolarmente interessante di questo sensore è che è completamente indipendente dal pH, "Seeman ha detto, un significativo allontanamento dal precedente schema di Krishnan. "Ha trascorso diversi anni a sviluppare sensori di pH che funzionano a livello intracellulare e forniscono un segnale fluorescente come conseguenza di uno spostamento del pH".

La capacità di registrare le concentrazioni di cloruro è importante per molte ragioni. Il cloruro svolge un ruolo importante nella neurobiologia, Per esempio. Ma calcio e sodio, entrambi ioni carichi positivamente, tendono a catturare la maggior parte della gloria neurobiologica a causa del loro ruolo nell'eccitazione dei neuroni.

"Ma se vuoi che il tuo neurone si attivi di nuovo, devi riportarlo al suo stato normale. Devi smetterla di sparare, " disse Krishnan. Questa si chiama "inibizione neuronale, " che fa il cloruro.

"È importante per ripristinare il neurone per un secondo ciclo di attivazione, altrimenti saremmo tutti in grado di usare il nostro cervello solo una volta, " lei disse.

In circostanze normali, il trasporto di ioni cloruro aiuta il corpo a produrre sottili, muco che scorre liberamente. Ma un difetto genetico provoca una malattia pericolosa per la vita:la fibrosi cistica. La capacità di Clensor di misurare e visualizzare l'attività proteica di molecole come quella correlata alla transmembrana della fibrosi cistica potrebbe portare a test ad alto rendimento per lo screening di sostanze chimiche che ripristinerebbe il normale funzionamento del canale del cloro.

Nove malattie

"Si potrebbe usare questo per esaminare l'attività del canale ionico cloruro in una varietà di malattie, " Krishnan ha detto. "Gli esseri umani hanno nove canali ionici cloruro, e la mutazione di ciascuno di questi canali provoca nove diverse malattie." Tra queste ci sono l'osteopetrosi, sordità, distrofia muscolare e distrofia maculare di Best.

Le capacità di rilevamento del pH dell'I-switch, nel frattempo, sono importanti perché le cellule contengono più organelli che mantengono specifici valori di acidità. Le cellule hanno bisogno di questi diversi microambienti per eseguire reazioni chimiche specializzate.

"Ogni organello subcellulare ha uno specifico valore di acidità a riposo, e che l'acidità è cruciale per la sua funzione, " ha detto Krishnan. "Quando il pH non è il valore che dovrebbe essere, si traduce in una serie di malattie diverse."

Ci sono 70 malattie rare chiamate malattie da accumulo lisosomiale, che sono progressivi e spesso fatali. Ognuno, compresa la malattia di Batten, malattia di Niemann-Pick, Malattia di Pompe e malattia di Tay-Sachs:rappresentano un modo diverso in cui un lisosoma può andare male. Ha paragonato un lisosoma difettoso a un bidone della spazzatura che non viene mai svuotato.

"Il lisosoma è fondamentalmente responsabile di masticare tutta la spazzatura e assicurarsi che venga riutilizzata o eliminata. È l'organello più acido nella cellula". E quell'acidità è cruciale per il processo di degradazione.

Sebbene ci siano 70 malattie da accumulo lisosomiale, farmaci a piccole molecole sono disponibili solo per alcuni di essi. Questi trattamenti esistenti, le terapie di sostituzione enzimatica, sono costosi e sono solo cure palliative. Uno degli obiettivi del gruppo di Krishnan è dimostrare l'utilità dei propri sensori di pH per scoprire nuove conoscenze biologiche su queste malattie. Lo sviluppo di farmaci a piccole molecole, strutturalmente più semplici e più facili da produrre rispetto ai farmaci biologici tradizionali, potrebbe aiutare in modo significativo.

"Se possiamo farlo per una o due malattie lisosomiali, ci sarà speranza per gli altri 68, " ha detto Krishna.