אבני בנין של דנ”א וחלבונים יוצרים מבנים של כלוב

ננוטכנולוגיה של דנ”א עושה שימוש במולקולות דנ”א בתור אבני בניין הניתנים לתכנות לשם יצירת מבנים תוך קבלת בקרה גבוהה

התכלית העיקרית של ננו-טכנולוגיה היא לשנות חומרים ברמה האטומית או המולקולארית, במיוחד לטובת הפיתוח של התקנים או מבנים מיקרוסקופיים. מבנים תלת-ממדיים מסוג כלובים הם אחד מהיעדים העיקריים בתחום זה, הן בשל פשטותם והן בשל השימוש בהם בתור נשאים של תרופות.
יחד עם זאת, המבנה של דנ”א הוא פשוט מאוד ונעדר את הגיוון של חלבונים המרכיבים את מרבית הכלובים הטבעיים, למשל, בעולם הנגיפים. למרבה הצער, מאתגר מאוד לשלוט בהתגודדות של חלבונים עם הדיוק של דנ”א. אולם, המצב הזה היה נכון עד לאחרונה. החוקר Nicholas Stephanopoulos, פרופסור באוניברסיטת המדינה של אריזונה, וצוות המחקר שלו, יצרו כלוב המורכב הן מאבני בנין של דנ”א והן מאבני בנין של חלבונים, זאת תוך שימוש בתצמידים קוולנטיים של חלבון-דנ”א.

במאמר שפורסם זה מכבר בכתב העת המדעי ACS Nano מתארים החוקרים כיצד הם ביצעו שינויים בחלבון הומוטרימרי (אנזים טבעי בשם KDPG aldolase) תוך שילובו עם שלושה גדילים פרטניים זהים של דנ”א וחיבורם דרך שייר של חומצת אמינו מסוג ציסטאין לפני השטח של החלבון. מערכת חלבון-דנ”א זו חוברה אל מבנה דנ”א בצורת משולש הכולל שלוש זרועות משלימות לגדילי הדנ”א של המערכת תוך קבלת כלובים טטראהדרלים המורכבים משש דופנות של דנ”א הקשורות לחלבון הטרימרי. את הגודל של הכלוב ניתן לשנות באמצעות שינוי מספר זרועות הדנ”א. מבני כלובים עברו שינויים עם דנ”א גם באמצעות שימוש בכימיית קליק, שהיא סוג מותאם של סינתזה כימית, לשם הכנת מבנים זהים באופן מהיר תוך חיבור יחדיו של תת-יחידות מיקרוסקופיות.

“הגישה של המעבדה שלי תאפשר סינתזה של ננו-חומרים בעלי יתרונות הן של טכנולוגיית חלבונים והן של טכנולוגיית דנ”א, חומרים שיוכלו להגיע ליישומים בתחומים של העברת חומרים ממוקדת, ביולוגיה מבנית, ביו-רפואה וקטליזה,” מסביר החוקר הראשי. החוקרים רואים הזדמנות חדשה בכלובים היברידיים – מיזוג של בנייה עצמית של אבני בניין של חלבונים יחד עם פיגום סינתטי של דנ”א – שיוכלו לשלב יחדיו את הביו-פעילות הגבוהה של חלבונים יחד עם המגוון הכימי של דנ”א. וזה בדיוק מה שהחוקרים עשו – יצרו מבנה ממוזג המורכב משילובים כימיים של אוליגונוקליאוטידים (גדיל דנ”א סינתטי) על גבי אבני בניין של חלבונים. הבסיס המשולש הנושא עליו שלוש זרועות של דנ”א משלים חד-גדילי מתקבל בבנייה עצמית ועובר טיהור על ידי חימום.

“סברנו כי לאחר עיצוב שני אבני בניין מטוהרים אלו הם פשוט יחברו יחדיו באופן עצמאי בצורה מתוכנתת, תוך שימוש בתכונות הזיהוי של גדילי הדנ”א,” מסביר החוקר הראשי. “היה חשוב במיוחד להשתמש בחלבון יציב בטמפרטורה גבוהה כדוגמת אלדולאז זה, מאחר והבנייה העצמית מתאפשרת רק בטמפרטורה של 55 מעלות צלזיוס, ואילו חלבונים רבים מתפרקים בטמפרטורה זו”. יתרון נוסף בשימוש בדנ”א, שאינו מתאפשר כאשר משתמשים בחלבונים בלבד, הוא כיוונון הגודל של הכלוב מבלי לעצב מחדש את כל המרכיבים האחרים. הגודל של המערכת ניתן לכיוונון על ידי שינוי באורך של זרוע הדנ”א, בעוד שהחלבונים משמשים כפיגום לחיבור של מולקולות קטנות כדוגמת פפטידים ממוקדי מטרה או אפילו חלבון כימרי.

למרות שקיימות דוגמאות אחרות של מבנים היברידיים, כלוב זה מהווה את הדוגמה הראשונה המתקבלת דרך צימוד כימי של זרועות אוליגונוקליאוטידים לאבני בניין מסוג חלבונים. בעיקרון, גישה זו תוכל להיות מיושמת עבור מגוון נרחב של חלבונים (חלקם בעלי יכולות של חיבור בררני לתאי סרטן בלבד). לפיכך, המחקר הנוכחי יוכל לאפשר פיתוח של תחום היברידי חדש לגמרי של ננוטכנולוגית חלבון-דנ”א שיובילו ליישומים שלא היו אפשריים עד היום תוך הסתמכות על חלבונים בלבד או דנ”א בלבד.

תקציר המאמר

הידיעה על המחקר