由DNA组成的人工细胞膜通道可以用钥匙打开和锁



  正如各国跨境进口大量消费品一样,活细胞也从事着活跃的进出口业务。它们的入口端口是嵌入细胞保护膜中的复杂运输通道。调节哪种货物可以通过细胞的两层膜形成的边境地区,对于正常运作和生存至关重要。

  在新的研究中,亚利桑那州立大学教授郝燕与亚利桑那州立大学的同事和伦敦大学学院的国际合作者描述了使用短段DNA设计的人造膜通道的设计和构建。DNA结构的行为非常符合天然细胞通道或孔隙,提供离子、蛋白质和其他货物的选择性运输,其天然对应物无法获得增强的特征。

  这些创新的DNA纳米通道有朝一日可能会应用于不同的科学领域,从生物传感和药物输送应用到创建能够自主捕获、浓缩、存储和交付微观货物的人工细胞网络。

  Yan说,许多生物孔隙和通道都是可逆门控的,允许离子或分子通过。在这里,我们模拟这些自然过程来设计DNA纳米孔,这些纳米孔可以根据外部“密钥”或“锁定”分子而锁定和打开。

  Yan教授是Milton D。Glick亚利桑那州立大学化学和生物化学杰出教授,并指导分子设计和仿生学生物设计中心。他也是亚利桑那州立大学分子科学学院的教授。

  研究结果发表在本期的《自然传播》杂志上。

  所有活细胞都包裹在一个独特的生物结构中,即细胞膜。这种膜的科学术语是磷脂双层,这意味着膜由附着在脂肪或脂质成分上的磷酸分子形成,形成外膜和内膜层。

  这些内膜层和外膜层有点像房间的内墙和外墙。但与普通墙壁不同,内表面和外表面之间的空间是流动的,类似于大海。此外,细胞膜被称为半渗透性的,允许指定的货物进出细胞。这种运输通常发生在过境货物与另一个分子结合时,改变通道结构的动力学,允许进入牢房,有点像巴拿马运河的开通。

  半渗透细胞膜对于保护细胞内的敏感成分免受外部敌对环境的影响是必要的,同时允许离子、营养素、蛋白质和其他重要生物分子的转运。

  包括Yan在内的研究人员探索了使用一种被称为DNA纳米技术的技术合成创建选择性膜通道的可能性。基本想法很简单。构成所有生物体遗传蓝图的双链DNA通过分子4个核苷酸的碱基配对结合在一起,这些核苷酸被标记为A、T、C和G。适用一个简单的规则,即A核苷酸总是与T和C与G配对。因此,DNA片段ATTCTCG将与CAAGAGC形成互补链。

  DNA的基础配对允许合成构造一个几乎无限的阵列或二维和三维纳米结构。一旦结构经过精心设计,通常借助计算机,DNA片段可以混合在一起,并以溶液自行组装成所需的形式。

  然而,事实证明,使用DNA纳米技术创建半渗透通道是一个令人烦恼的挑战。传统技术未能复制自然制造的膜通道的结构和容量,合成DNA纳米孔通常只允许单向运输货物。

  这项新研究描述了一种创新方法,允许研究人员设计和构建一种合成膜通道,其孔径允许运输比天然细胞通道更大的货物。与之前创建附着在膜上的DNA纳米孔的努力不同,该新技术通过水平而不是垂直组装相对于膜的成分DNA片段来逐步构建通道结构。该方法允许构建开口更宽的纳米孔,允许运输更多种类的生物分子。

  此外,DNA设计允许通过配备锁和钥匙机构的铰链盖有选择地打开和关闭通道。“密钥”由序列特定的DNA链组成,这些DNA链与通道的盖子结合,并触发它打开或关闭。

  在一系列实验中,研究人员证明了DNA通道成功运输不同大小货物的能力,从微小的染料分子到折叠的蛋白质结构,其中一些大于天然膜通道的孔径。

  研究人员使用原子力显微镜和透射电子显微镜可视化生成的结构,确认它们符合纳米结构的原始设计规范。

  使用荧光染料分子来验证DNA通道是否通过细胞的脂质双层成功穿刺和插入,成功提供了运输分子的选择性进入。运输操作在通道形成后1小时内进行,比以前的DNA纳米孔有了显著改善,之前的DNA纳米孔通常需要5-8小时才能完成生物分子转运。

  DNA纳米通道可用于捕获和研究蛋白质,并密切检查它们与它们结合的生物分子的相互作用,或研究蛋白质的快速复杂折叠和展开。这些渠道还可用于对进入细胞的生物分子进行细粒度控制,为有针对性的药物输送提供了新的窗口。许多其他可能的应用可能来自新发现的定制设计人工自组装运输通道的能力。

  




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