合成生物学のための新しいツール

シュトゥットガルト大学の科学者たちは、「DNA 折り紙」を利用して生体膜の構造と機能を制御することに成功した。彼らが開発したシステムは、細胞への大量の治療負荷の輸送を促進する可能性がある。これにより、薬物の標的を絞った投与やその他の治療介入に新たな道が開かれます。したがって、非常に価値のある手段が合成生物学のツールボックスに追加される可能性があります。 Laura Na Liu 教授と彼女のチームは、その研究結果を Nature Materials 誌に発表しました。

細胞の形状と形態は、生物学的機能において重要な役割を果たします。これは、現代のデザインや建築の分野で一般的である「形態は機能に従う」という原則に対応しています。この原理を人工細胞に移すことは、合成生物学における課題です。 DNA ナノテクノロジーの進歩により、現在では有望な解決策が提供されています。それらは、細胞膜を通過する治療用タンパク質の通過を促進するのに十分な大きさの新しい輸送チャネルの作成を可能にします。この新興分野では、シュトゥットガルト大学第 2 物理学研究所所長でマックス プランク固体研究所 (MPI-FKF) フェローのローラ ナ リュー教授などの科学者が、エネルギーを制御するための革新的なツールを開発しました。合成細胞における脂質膜の形状と透過性。これらの膜は、水性コンパートメントを囲む脂質二重層で構成されており、生体膜の単純化されたモデルとして機能します。これらは、膜動力学、タンパク質相互作用、脂質の挙動を研究するのに役立ちます。

この新しいツールは、機能的な合成細胞の作成への道を開く可能性があります。ローラ・ナ・リューの科学的研究は、新しい治療法の研究と開発に大きな影響を与えることを目的としています。リュー氏と彼女のチームは、シグナル依存性の DNA ナノロボットを使用して、合成細胞とのプログラム可能な相互作用を可能にすることに成功しました。 「この研究は、細胞の行動を調節するための DNA ナノテクノロジーの応用におけるマイルストーンです」と Liu 氏は言います。研究チームは、生きた細胞を模倣した単純な細胞サイズの構造である巨大単層小胞 (GUV) を研究しています。研究者らは、DNA ナノロボットを使用して、これらの合成細胞の形状と機能に影響を与えることができました。

DNA ナノテクノロジーは、Laura Na Liu の主な研究分野の 1 つです。彼女は、DNA 折り紙構造、つまり特別に設計された短い DNA 配列、いわゆるステープルによって折り畳まれた DNA 鎖の専門家です。 Liu のチームは、DNA 折り紙構造を再構成可能なナノロボットとして使用しました。このナノロボットは、その形状を可逆的に変化させることができ、それによってマイクロメートルの範囲で周囲の環境に影響を与えることができます。研究者らは、これらの DNA ナノロボットの変形が、GUV の変形とモデル GUV 膜における合成チャネルの形成と連動できることを発見しました。これらのチャネルにより、大きな分子が膜を通過できるようになり、必要に応じて再封することができます。

「これは、DNAナノロボットを使用してGUVの形状と構成を設計し、膜内の輸送チャネルの形成を可能にすることができることを意味します」と、この研究の共著者であるステファン・ヌスバーガー教授は言う。 「GUV 上の DNA ナノロボットの機能機構が、生細胞に直接生物学的に同等なものがないことは、非常に興味深いことです」と Nussberger 氏は付け加えます。

この新しい研究は新たな疑問を投げかけている。DNAナノロボットなどの合成プラットフォームは、生物学的対応物よりも複雑さを軽減して設計でき、それでも生物学的環境で機能するだろうか？

新しい研究は、この方向への重要な一歩です。 DNA ナノロボットによって作成された膜貫通チャネルのシステムにより、特定の分子や物質が細胞内に効率的に通過できるようになります。最も重要なのは、これらのチャネルは大きく、必要に応じて閉じるようにプログラムできることです。このシステムを生細胞に適用すると、治療用タンパク質や酵素の細胞内の標的への輸送が促進されます。したがって、薬物の投与やその他の治療介入に新たな可能性をもたらします。 「私たちのアプローチは、生きた細胞の挙動を模倣する新たな可能性を切り開きます。この進歩は、将来の治療戦略にとって非常に重要になる可能性があります」と、この研究の共著者の一人であるハオ・ヤン教授は述べています。

ファン S、ワン S、ディン L、スペック T、ヤン H、ヌスバーガー S、リュー N.
再構成可能な DNA ナノラフトを介した合成細胞における形態のリモデリングと膜チャネルの形成。
ナイトメーター。 2025 年 1 月 13 日。土井: 10.1038/s41563-024-02075-9