合成生物學跨大步!英美團隊成功打造人工DNA奈米細胞膜通道

日期2022-05-12
(圖片來源:網路)
今年4月,美國亞利桑那州立大學(Arizona State University)與英國倫敦大學學院(University College London)組成的跨國團隊,他們利用DNA奈米技術,成功打造出能讓分子選擇性通過的人工跨細胞膜通道,其構造不僅能執行天然通道既有的功能,選擇性運輸包括離子、蛋白質及其他物質,還能容納更大的生物分子(biomolecules)通過。這項研究發表在《Nature Communications》。
 
在此研究中,研究團隊使用了一種創新合成方法,透過水平、而非垂直於膜表面,一步步組裝建構DNA片段,使得通道的開口比一般的天然通道來得更大,讓各種生物分子都能通過;此外,他們還透過DNA序列設計,進一步將合成通道加上絞鏈與蓋子的結構,讓通道能夠像鎖與鑰匙一般選擇性打開或閉合。
 
此外,研究團隊還利用原子力顯微鏡(AFM)和穿透式電子顯微鏡(TEM),直接以視覺確認奈米通道的結構與設計一致;同時,也以螢光染劑分子驗證DNA通道確實成功穿過、插入細胞膜,且在通道形成1小時內就能執行運輸功能,但以往這個過程需要花上5到8小時。
 
研究團隊表示,這項DNA奈米孔通道的新發現,可以衍生出許多新的應用,從生物感測到藥物傳輸系統應用,或是幫助打造人工細胞,讓細胞能夠自動地捕捉、濃縮、儲存和傳送微型分子。
 
此外,還可以用來捕捉蛋白質,並仔細地確認蛋白質和與之結合的生物分子的互動,或是研究蛋白質快速卻複雜的折疊與展開;此外,這些通道還可以針對生物分子進入細胞的過程,進行細微的控制,為標靶藥物運輸提供新的可能性。
 
在此研究之前,合成生物學家就曾嘗試利用DNA奈米技術,打造具有選擇性的人工細胞膜通道。由於構成DNA的四種鹼基(A、T、C、G)之中,A與T彼此配對、C與G彼此配對,如果善加利用這項特性,並使用電腦仔細設計序列,理論上就能形成特定的2D平面或是3D立體結構。
 
然而,使用DNA奈米技術建構出具備半通透性的通道,已經被證明是相當困難的過程,而且合成出來的DNA奈米孔,通常也只允許貨物的單向運輸,因此這項研究被認為是合成生物學上的創舉。
 
參考資料:
https://bioengineer.org/artificial-cell-membrane-channels-composed-of-dna-can-be-opened-and-locked-with-a-key/
原文研究:
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28522-2
(編譯 / 吳培安)