构建既是载体又是药物的DNA纳米颗粒

二十年来，科学家们一直在用DNA链制造纳米颗粒，操纵维持DNA双螺旋形状的键来塑造自组装结构，有朝一日这些结构可能会在医学上有令人瞠目结舌的应用

然而，对DNA纳米颗粒的研究主要集中在它们的结构上，将生命的遗传密码转化为制造微小机器人的部件。爱荷华州立大学遗传学、发展和细胞生物学系的两名研究人员——埃里克·亨德森教授和刚刚毕业的博士生吴昌勇——希望通过展示由DNA制成的纳米级材料可以传达其固有的遗传指令来改变这一现状

“到目前为止，大多数人都在从工程的角度探索DNA纳米颗粒。人们很少关注这些DNA链中的信息，”Oh说

在最近发表在《科学报告》杂志上的一篇论文中，Henderson和Oh描述了他们如何构建能够表达遗传密码的DNA纳米颗粒。具有基因承载能力增加了DNA纳米技术的潜力

Henderson说：“这些结构既可能是载体，也可能是药物。”

Henderson和Oh说，他们是世界上最早创造出表达其遗传密码的DNA纳米颗粒的研究团队之一。爱荷华州立大学研究基金会于2023年提交了一份与该研究相关的专利申请。

成功的结构

Henderson于1987年来到爱荷华州立大学，但在14年的时间里，他建立了一家名为BioForce Nanosciences的初创公司。2008年全职回到爱荷华州立大学后，他开始研究DNA折纸——一种新开发的从长单链DNA中创建自组装复杂纳米结构的方法

Henderson和前研究生、现为凯斯西大学助理教授的Divita Mathur设计了一种可以检测病原体的纳米机器生物传感器

这项工作留下了一个挥之不去的想法：这些结构携带的基因呢？DNA折纸能表达整合在自身内部的遗传信息吗

第一步是弄清楚如何用具有特定基因序列的单链制作DNA折纸，而不是传统上用于制作纳米颗粒的单链

这花了几年时间。Henderson说，下一步是确定RNA聚合酶，一种从DNA编码中制造RNA分子的酶，是否可以在DNA折纸的广泛折叠中导航。一个特别令人担忧的问题是聚合酶是否会被交叉连接所阻断，交叉连接是指长链DNA被称为缝钉的短DNA连接的连接处

“事实证明他们不是，这是违反直觉的，”亨德森说

虽然交叉和复杂的结构不会阻止RNA的转录过程，但DNA纳米结构的设计确实会影响转录效率。Oh说，密集的结构产生更少的RNA，这意味着可以对纳米颗粒的设计进行微调，以抑制或促进预期的功能

“我们可以制造一种高效、靶向的递送系统，在许多领域都有潜力，包括癌症治疗，”他说

Henderson说，价格合理且耐用，精确性的潜力是DNA纳米颗粒成为令人兴奋的可能性的一部分

“基因编辑功能强大得令人难以置信，但编辑基因最困难的部分之一是只编辑你想编辑的基因。所以，这就是梦想，将这些纳米颗粒精细化，靶向某些细胞和组织，”他说

然而，DNA纳米粒子还有其他主要优点。它们制作简单，价格低廉，经久耐用。Oh说，使纳米颗粒自行组装就像加热混合物并使其冷却一样简单，不需要特殊设备

部分归功于DNA研究的普遍性，链和订书钉的生产成本低廉。尽管每天都在使用，Henderson和Oh仍在努力完成几年前以几百美元从Coralville制造商那里购买的一包主食

Henderson说，这些成分可以作为粉末储存，即使在最具挑战性的条件下也有很长的保质期。这是一种很容易传播的技术

“DNA非常稳定。它是从100多万年前的样本中提取的，”他说