Tutkijat kehittivät menetelmän virusten kapsidiproteiinien uudelleenmuotoiluun

Tutkijat ovat kehittäneet keinon ohjelmoida viruspartikkelien kokoa ja muotoa käyttämällä DNA:sta muokattuja malleja ohjaamaan kapsidiproteiinien järjestymistä. Tulokset on juuri julkaistu Nature Nanotechnology -lehdessä.

Virusten genomin sisällään pitäviä kapsidiproteiineja voidaan hyödyntää tarkkaan määriteltyjen proteiinirakenteiden valmistamiseen. Syntyvät rakenteet ovat kuitenkin riippuvaisia viruksen kannasta, ja ovat yleisesti muodoltaan joko ikosaedrisia tai helikaalisia. Näiden kokoonpanojen uudelleenohjelmointi avaa uusia mahdollisuuksia esimerkiksi rokotteiden kehittämisessä ja lääkkeiden kuljettamisessa elimistön sisällä.

Aalto-yliopiston tutkijoiden johtamaan ryhmään osallistui tutkijoita Helsingin ja Tampereen yliopistoista, sekä australialaisen Griffithin ja alankomaalaisen Twenten yliopistoista. Tavoitteeseen päästäkseen tutkijat poistivat viruksen normaalin genomin, jonka ympärille kapsidiproteiinit tavallisesti rakentuvat. Uuden mallin jäykkyyden varmistamiseksi he käyttivät DNA-origamirakenteita. Nämä rakenteet ovat vain kymmenistä satoihin nanometreihin pitkiä, mutta koostuvat kokonaan DNA:sta, joka voidaan laskostaa haluttuun muotoon.

”Lähestymistapamme perustuu DNA-nanorakenteiden negatiivisen varauksen ja kapsidiproteiinien positiivisesti varautuneen alueen välisiin sähköstaattisiin vuorovaikutuksiin, sekä yksittäisten proteiinien välisiin luontaisiin vuorovaikutuksiin. Muuttamalla käytettyjen proteiinien määrää pystyimme säätelemään DNA-origamia ympäröivien, järjestäytyneiden proteiinikerrosten määrää”, kertoo tutkimuksen pääkirjoittaja, väitöskirjatutkija Iris Seitz.

”Käyttämällä DNA-origamia mallina pystyimme ohjaamaan viruksen kapsidiproteiinit haluamaamme kokoon ja muotoon, jolloin saimme aikaan sekä pituudeltaan että halkaisijaltaan tarkkaan määriteltyjä rakenteita. Lisäksi testaamalla erilaisia DNA-origamirakenteita saimme tietoa eri mallien muodon vaikutuksesta proteiinien muodostamiin rakenteisiin”, Seitz jatkaa.

Korkealuokkaisen kryoelektronimikroskopiakuvauksen avulla tutkijat pystyivät visualisoimaan hyvin järjestäytyneet proteiinit ja mittaamaan erilaisista malleista johtuvat pienetkin muutokset rakenteiden geometriassa.

”Löysimme yksinkertaisen, mutta toimivan keinon kapsidiproteiinien ohjaamiseksi haluttuun muotoon. Lähestymistapamme on monikäyttöinen eikä rajoitu vain yhteen kapsidiproteiinityyppiin, kunhan proteiinilla vain on positiivisesti varautunut alue. Osoitimme tämän neljän eri viruksen kapsidiproteiineilla. Lisäksi mallia voidaan säätää sovelluskohtaisesti, esimerkiksi integroimalla origamiin RNA:ta, josta voidaan myöhemmin tuottaa proteiineja”, sanoo tutkimushanketta johtanut professori Mauri Kostiainen.

Vaikka DNA-origamirakenteet vaikuttavat lupaavilta biologisissa järjestelmissä, ne kärsivät silti epävakaudesta, etenkin jos läsnä on DNA:ta hajottavia entsyymejä.

”Testatessamme, miten entsyymit hajottavat DNA-rakenteita huomasimme selvästi, että proteiinikerros suojaa tehokkaasti kapseloituja DNA-nanorakenteita hajoamiselta. Yhdistämällä tämä suojaus nukleiinihappo-origamin toiminnallisiin ominaisuuksiin, kuten mahdollisuuteen toimittaa DNA:ta tai lähetti-RNA:ta yhdessä muiden molekyylien kanssa, uskomme että lähestymistapamme tarjoaa mielenkiintoisia tulevaisuuden suuntia biolääketieteelle”, professori Kostiainen sanoo.

Linkki julkaisuun Nature Nanotechnology -lehdessä: https://www.nature.com/articles/s41565-023-01443-x