Naukowcy z University of Illinois Urbana-Champaign opracowali miniaturową „rękę” z czterema palcami, wykonaną z pojedynczej nici DNA, która potrafi wychwytywać wirusa SARS-CoV-2, co umożliwia ultraszybką i niezwykle czułą diagnostykę, a także blokować jego wnikanie do komórek. To nanorobotyczne urządzenie nazwane NanoGripper może być również zaprogramowane do interakcji z innymi wirusami lub rozpoznawania markerów komórkowych w celu precyzyjnego dostarczania leków, na przykład w terapii nowotworowej.
Badania prowadzone pod kierunkiem prof. Xing Wanga, specjalisty w dziedzinie bioinżynierii i chemii, zostały opisane w czasopiśmie Science Robotics.
Konstrukcja inspirowana ludzką dłonią i pazurami ptaków
NanoGripper został zaprojektowany jako struktura DNA o czterech elastycznych palcach i dłoni, które składają się w jeden nanostrukturę z jednej nici DNA. Każdy palec ma trzy zgięcia, podobnie jak ludzki palec, a kąty oraz stopień ich ugięcia są określone przez układ nici DNA.
„Chcieliśmy stworzyć miękki nanorobot o zdolnościach chwytania, których wcześniej nie zaobserwowano, aby mógł wchodzić w interakcje z komórkami, wirusami i innymi cząsteczkami w celach biomedycznych” – powiedział Wang. „DNA zostało wybrane ze względu na swoje właściwości strukturalne – jest wytrzymałe, elastyczne i programowalne. Nawet w dziedzinie origami DNA ta konstrukcja jest nowatorska pod względem zasad projektowania. Składamy jedną długą nić DNA w taki sposób, by tworzyła wszystkie elementy, zarówno statyczne, jak i ruchome, w jednym kroku”.
Mechanizm działania
Palce nanoręki zawierają tzw. aptamery DNA – regiony zaprojektowane tak, by wiązały się z określonymi cząsteczkami. W pierwszym zastosowaniu NanoGrippera aptamery są zaprogramowane do wiązania się z białkiem kolca wirusa SARS-CoV-2, co wywołuje zgięcie palców i objęcie wirusa. Z kolei część przypominająca nadgarstek pozwala nanorobotowi przytwierdzać się do powierzchni lub większych kompleksów biomedycznych, co może znaleźć zastosowanie w diagnostyce i dostarczaniu leków.
Ultraszybki test diagnostyczny
Aby stworzyć test diagnostyczny na obecność SARS-CoV-2, zespół Wanga współpracował z prof. Brianem Cunninghamem, specjalistą w dziedzinie biosensoryki. NanoGripper został zintegrowany z platformą fotonicznego sensora, co pozwoliło opracować szybki test wykrywający wirusa w 30 minut. Czułość testu dorównuje złotemu standardowi, czyli testom qPCR, używanym w szpitalach, które choć są dokładniejsze od testów domowych, wymagają więcej czasu.
„Nasz test jest bardzo szybki i prosty, ponieważ wykrywa wirusa w całości” – powiedział Cunningham. „Gdy wirus zostanie uchwycony przez NanoGripper, wyzwalany jest sygnał świetlny generowany przez cząsteczkę fluorescencyjną. Skoncentrowane światło pozwala na zliczanie wirusów pojedynczo”.
Blokowanie infekcji i możliwości terapeutyczne
NanoGripper może być również wykorzystywany w profilaktyce. Dodanie nanorobotów do hodowli komórkowych wykazało, że kilka nanorąk otacza wirusa, uniemożliwiając jego białkom kolcowym interakcję z receptorami na powierzchni komórek. To skutecznie blokuje infekcję.
„Choć trudno byłoby zastosować to podejście po zakażeniu, istnieje możliwość stworzenia sprayu do nosa jako środka profilaktycznego” – wyjaśnił Wang. „Nos to główne miejsce kontaktu wirusów oddechowych, takich jak COVID-19 czy grypa. Spray z NanoGripperem mógłby uniemożliwić wdychanym wirusom wnikanie do komórek nosa”.
Zastosowania przyszłościowe
NanoGripper może być łatwo zaprogramowany do wykrywania innych wirusów, takich jak wirus grypy, HIV czy HBV. Ponadto nanorobot może służyć jako narzędzie do dostarczania leków – palce mogą być zaprojektowane do rozpoznawania specyficznych markerów nowotworowych, co umożliwi precyzyjne dostarczanie terapii bezpośrednio do komórek nowotworowych.
„Potencjał tej technologii wykracza poza przykłady przedstawione w naszych badaniach” – zauważył Wang. „Opracowaliśmy już metody modyfikacji struktury 3D, stabilności oraz aptamerów do celów diagnostycznych i terapeutycznych. Oczywiście wymaga to dalszych testów, ale możliwości zastosowania w leczeniu nowotworów oraz czułość w diagnostyce pokazują siłę miękkiej nanorobotyki”.
Prace te były wspierane przez National Institutes of Health oraz National Science Foundation. Wang i Cunningham są związani z Carl R. Woese Institute for Genomic Biology oraz Holonyak Micro and Nanotechnology Lab na University of Illinois Urbana-Champaign.
Źródło: Science Robotics, University of Illinois at Urbana-Champaign, News Bureau
