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科学突破:7nm DNA管道实现细胞内药物输送

释放双眼,带上耳机,听听看~!
约翰霍普金斯团队公开了一项重大发明:7nm DNA管道,可用于将药物分子注入细胞,该技术意味着在对抗疾病上迈出重要一步。本文介绍了该项技术的原理及应用前景。

给人输液很常见,但给细胞「输液」你见过吗?

这两天,约翰霍普金斯一个团队公开一项发明:7nm DNA管道,可用于将药物分子注入细胞

科学突破:7nm DNA管道实现细胞内药物输送

据称,该管道仅是蚂蚁的200万分之一,在未来,有望将药物、蛋白质和分子精准输送入器官和组织细胞中,且极小的「泄漏」也能避免,不会产生任何副作用。

目前,该研究已登上Science Advances,有外媒评价,在对抗一系列威胁生命的疾病上,该发明意味着我们又迈出重要一步。

科学突破:7nm DNA管道实现细胞内药物输送

具体如何实现的?往下看。

纳米「高速公路」如何建成?

在生命系统中,细胞之间是通过生物膜通道选择性渗透的机制,即跨模转运来完成传输物质的。

在过去,模拟生物膜通道已带有选择性及门控功能,是生物传感、药物输送的强大工具。这种仿生通道由肽、DNA、碳纳米管、金属有机复合物等物质组成,可让离子及小分子实现跨膜转运——

但大多数通道直径小于2nm,无法传输更大的分子物质。

此次,科研者发明的管道基于DNA自组合而成,旨在解决这一问题。

科学突破:7nm DNA管道实现细胞内药物输送

其中,构建管道端口的基础来自于DNA折纸术(DNA origami)。

该项技术在近些年颇受关注,核心原理是将DNA作为一种纳米材料的基本单元,就像建筑基本材料一样。

通过短链DNA相互配对,可构建不同尺度的二三维复杂纳米结构,你可以做出极小的三角形、五角星,甚至是个笑脸:)

科学突破:7nm DNA管道实现细胞内药物输送

应用在生命体物质传输中,其具有结构可控、可精确寻址、易于化学修饰和生物相容性好等特点。

借由该技术,研究者构建了内径7nm的纳米孔,加之DNA修饰及控制纳米孔几何形状,只有特定化学、空间特征的大生物分子可经由通道穿过脂质膜,这样就实现了物质端到端传输,防止了传输物质泄漏。

一旦获得通过,分子会遵从扩散作用,顺着浓度阶梯,从高浓度区域向低浓度区域运动,让物质注入细胞中。

科学突破:7nm DNA管道实现细胞内药物输送

端口之外,通道本体由双交叉的DNA「瓦片」自组装而成,长度设定为微米级,与此前主流成果也不相同。

以往纳米通道长度小于100nm,但为了在不相邻细胞及细胞区室之间建立连接,实现分子交换,研究者将长度设定为微米级,也就是过去多数同类通道的十倍量级以上。

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落到实验验证阶段,研究者追踪了荧光染料羧基四甲基罗丹明 (TAMRA) 通过DNA通道进入巨形单层囊泡的情况。

从细胞内外通过物质量来看,他们设计的DNA通道促进了跨膜质运输。

科学突破:7nm DNA管道实现细胞内药物输送

此外,研究者还通过布朗动力学模拟小分子在纳米孔中的渗透情况,结果印证了这项发明的「防泄漏」能力。

科学突破:7nm DNA管道实现细胞内药物输送

在成果应用部分,研究者认为,这种DNA管道在生物传感和药物递送方面的潜在应用,此外,DNA纳米孔的可编程性和特异性可以允许传递目标遗传和信号材料,从而使有效通信成为可能。

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团队介绍

最后认识一下该项成果的幕后研究者们。

一作Li Yi,约翰霍普金斯大学,化学与生物分子工程系博士生,本科毕业于华盛顿大学化学工程系。

二作Christopher Maffeo,来自UIUC物理系。

参考链接:
[1]www.science.org/doi/10.1126…
[2]studyfinds.org/pipes-to-hu…
[3]phys.org/news/2022-0…

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