两大顶级杂志:可杀死癌细胞的DNA技术

【字体: 时间:2012年02月21日 来源:生物通

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  来自哈佛医学院的研究人员发表了题为“A Logic-Gated Nanorobot for Targeted Transport of Molecular Payloads”的文章,利用这一设备运送药物至个体细胞,帮助清除癌细胞,这篇发表在Science杂志上的文章,与之前Nature上的文章,共同为我们展示了这项技术的发展。

  

生物通报道:DNA折纸技术(DNA origami)是一种能将DNA链反复折叠形成需要的图形的技术,这项技术不仅能用于图形设计,现在还可以作为定位并摧毁活细胞的设备。

来自哈佛医学院的研究人员发表了题为“A Logic-Gated Nanorobot for Targeted Transport of Molecular Payloads”的文章,利用这一设备运送药物至个体细胞,帮助清除癌细胞,这篇发表在Science杂志上的文章,与之前Nature上的文章,共同为我们展示了这项技术的发展。

研究人员将这种设备称为纳米机器人(nanorobots),其基本原理是利用类似于免疫系统中的细胞识别机制。Science文章的作者,哈佛医学院博士后Ido Bachelet说,“我们称其为纳米机器人,因为它能完成机器人的任务”,一旦这一设备获得了细胞的认可,就能自动变换形状,释放所负载体。

这组研究人员利用了一种开源软件:Cadnano,这种软件能让研究人员从二维开始,手动操作将DNA折叠成基本的构架。在分子水平,DNA双螺旋结构的压力降低了折叠结构的稳定性,还会带来局部缺陷,妨碍折叠组装的进一步拓展,而这一软件能帮助DNA根据所需来折叠。

他们利用DNA折纸技术设计了纳米机器人——这种技术将DNA股折叠在一起成复杂的形状,这些机器人大约内径35纳米,具有12个可以负荷药物的位点,外部则配有两个可以识别靶细胞分子的特殊寡核苷酸。除此之外,研究人员还在其中加上了所负载的药物上加入了金纳米颗粒,或者荧光标记,以便观察。

为了证明这一纳米机器人的作用,研究人员进行了六种组合测试,每个测试都针对不同类型的体外培养癌细胞,结果证明这种设备可以在不同细胞类型混合体中找到靶细胞,然后释放药物抗体,从而使癌细胞停止生长。

在2006年,Nature杂志就发文介绍了构建DNA纳米结构的新方法。这些研究人员构建的DNA纳米结构比以前任何时候所构建的都更大、更复杂。这种从下往上“一锅烩”的方法用几百个短的DNA链来将一个非常长的链像订书针那样钉成二维结构,可以做成任何想要的形状,如方形、“纳米脸形”和五角星形。各个“订书针”也可以进行改造,将其做成纳米尺度的像素,后者可用来在一个100纳米的给定形状上生成表面图案。

纳米生物材料可以分为两类,一种是适合于生物体内应用的纳米材料,它本身即可以是具有生物活性的,也可以不具有生物活性,而仅仅易于被生物体接受,而不引起不良反应。另一类是利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料,它们可能不再被用于生物体,而被用于其它纳米技术或微制造,其中DNA几乎是在很多方面,筑纳米尺度结构的理想材料,因为DNA既能自组装,又具有可编程性,而且还有大量化学方法可用来对其进行操纵。

这些成果促进了DNA纳米技术的发展,目前也逐步向临床应用迈进。

(生物通:万纹)

原文摘要:

A Logic-Gated Nanorobot for Targeted Transport of Molecular Payloads

We describe an autonomous DNA nanorobot capable of transporting molecular payloads to cells, sensing cell surface inputs for conditional, triggered activation, and reconfiguring its structure for payload delivery. The device can be loaded with a variety of materials in a highly organized fashion and is controlled by an aptamer-encoded logic gate, enabling it to respond to a wide array of cues. We implemented several different logical AND gates and demonstrate their efficacy in selective regulation of nanorobot function. As a proof of principle, nanorobots loaded with combinations of antibody fragments were used in two different types of cell-signaling stimulation in tissue culture. Our prototype could inspire new designs with different selectivities and biologically active payloads for cell-targeting tasks.

Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns

'Bottom-up fabrication', which exploits the intrinsic properties of atoms and molecules to direct their self-organization, is widely used to make relatively simple nanostructures. A key goal for this approach is to create nanostructures of high complexity, matching that routinely achieved by 'top-down' methods. The self-assembly of DNA molecules provides an attractive route towards this goal. Here I describe a simple method for folding long, single-stranded DNA molecules into arbitrary two-dimensional shapes. The design for a desired shape is made by raster-filling the shape with a 7-kilobase single-stranded scaffold and by choosing over 200 short oligonucleotide 'staple strands' to hold the scaffold in place. Once synthesized and mixed, the staple and scaffold strands self-assemble in a single step. The resulting DNA structures are roughly 100 nm in diameter and approximate desired shapes such as squares, disks and five-pointed stars with a spatial resolution of 6 nm. Because each oligonucleotide can serve as a 6-nm pixel, the structures can be programmed to bear complex patterns such as words and images on their surfaces. Finally, individual DNA structures can be programmed to form larger assemblies, including extended periodic lattices and a hexamer of triangles (which constitutes a 30-megadalton molecular complex).

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