Lekárski výskumníci UNSW, inšpirovaní spôsobom interakcie molekúl v prírode, konštruujú všestranné stroje v nano rozmeroch, aby umožnili ich väčší funkčný rozsah.

Aby odolali náročným podmienkam v živých organizmoch, molekulárne stroje musia byť trvalo skonštruované na nepretržitú prevádzku počas dlhých období. Zároveň sa musia prispôsobiť rôznym potrebám a meniacemu sa prostrediu rýchlou výmenou molekulárnych komponentov na rekonfiguráciu strojového zariadenia.

„Prijali sme syntetický biologický prístup k tomuto problému skonštruovaním umelého nanoskopického stroja pomocou DNA a proteínových komponentov. Schopnosť vymieňať podjednotky zvyšuje funkčnosť, rovnako ako to pozorujeme v biológii,“ povedal Prof. Lee, UNSW School of Medical Sciences a výskumník centra v syntetickej biológii ARC.

On a jeho tím vytvorili molekulárne stroje skladaním reťazcov DNA do trojrozmerných tvarov, čo je technika nazývaná DNA origami. Ukázali, že ich nanostroje DNA môžu niesť DNA aj proteínový náklad a vo všeobecnosti by boli kompatibilné s inými biomolekulami a nanočasticami. Náklad sa na viacerých miestach viaže na receptor DNA a môže byť vytesnený novým nákladom prostredníctvom procesu konkurenčného viazania, keď je v roztoku prítomný iný náklad.
Príkladom jedného zo strojov prírody, ktorý stelesňuje paradox stability a rýchlej výmeny, je bunkový stroj, ktorý vytvára kópie DNA – replikóm DNA. Mechanizmus konkurenčnej výmeny, ktorý replikóm používa na súčasné dosiahnutie týchto protichodných vlastností, bol navrhnutý v skoršej publikácii v Nucleic Acid Research od tímu Prof. Antoine van Oijen z University of Woollongong, ktorý je tiež spoluautorom súčasnej štúdie.
Prof. Lee a jeho tím teraz priviedli túto teóriu k životu pomocou nanotechnológie DNA a proteínového inžinierstva. „Je to prvý syntetický systém, ktorý využíva takzvaný princíp „konkurenčnej výmeny na viacerých miestach“,“ povedal.
Boli hlásené ďalšie mechanizmy, ktoré poskytujú duálne vlastnosti robustnosti a rýchlej výmeny, ale doteraz táto dichotómia nebola možná s inými biomolekulami.
„Zatiaľ sú všetky molekulárne stroje syntetizované pomocou nanotechnológie DNA aktivované výmenou reťazca DNA, ale výmena iba DNA je trochu obmedzujúca. Naše zistenia rozširujú funkčnú komplexnosť dostupnú pre nanotechnológiu DNA,“ povedal A/Prof. Lee.
Verí, že v prírode existuje množstvo vedomostí, ktoré môžu výskumníci v oblasti nanotechnológií využiť. „Rýchla výmena a udržiavanie vysokej stability sa zdajú byť dva nekompatibilné stavy, no existuje toľko prírodných strojov na nanorozmery, ktoré sa správajú týmto spôsobom.“
Oblasť DNA nanotechnológií je stále v plienkach. Zatiaľ čo výskumníci musia prekonať oveľa viac výziev v oblasti dizajnu, aby mohli využiť plný potenciál molekulárnych strojov, schopnosť vytvárať stroje, ktoré môžu konať autonómne a prispôsobovať sa zmenám v prostredí nahradením rôznych biomolekúl, je to veľký krok smerom k široké spektrum aplikácií, od vytvárania citlivých inteligentných materiálov až po zacielenie dodávania terapeutických liekov do chorých buniek a oveľa viac.