Lupaava uutinen biolääketieteelle: DNA-origamit ovat luultua kestävämpiä

DNA:ta laskostamalla voidaan valmistaa nanokokoisia ja samalla äärimmäisen monimutkaisia rakenteita. Synteettisiä DNA-juosteita ja viruksen DNA:ta hyödyntävästä valmistusmenetelmästä on tullut suosittu biofysiikassa ja molekyylibiologiassa, ja DNA-origameista kaavaillaan myös tulevaisuuden tehokkaita ja tarkkoja lääkekuljettimia.

Tähän asti ongelmana on pidetty sitä, että rakenne kestää huonosti alhaista magnesiumpitoisuutta. Nyt Aalto-yliopiston ja saksalaisen Paderbornin yliopiston tutkijat ovat kuitenkin osoittaneet, että vaikka DNA-origamit vaativat muodostuakseen paljon magnesiumia, ne pystyvät tämän jälkeen toimimaan normaaleissa fysiologisissa olosuhteissa.

”DNA-origami vaatii syntyäkseen positiivisia magnesium-ioneita, jotta negatiivisesti varautuneiden DNA-molekyylien välinen sähköinen hylkiminen vähenisi. Valmistukseen tarvittava Mg-pitoisuus on tyypillisesti 10–30-kertainen normaaleihin fysiologisiin olosuhteisiin nähden, eivätkä lääketieteelliset sovellukset ole yhteensopivia niin korkean pitoisuuden kanssa. Toisaalta esimerkiksi soluviljelypuskureissa matalan Mg-pitoisuuden on raportoitu olevan yksi kriittisimmistä parametreistä origamien kestävyyden kannalta”; kertoo Aalto-yliopiston dosentti Veikko Linko, joka johti tutkimusta yhdessä Paderbornin yliopiston tutkijan Adrian Kellerinkanssa.

Tutkijat testasivat, miten yksi-, kaksi- ja kolmiulotteiset DNA-origamit kestivät korkean magnesiumpitoisuuden puskuriliuoksen vaihtamisen matalan pitoisuuden liuoksiin, kuten ionivaihdettuun veteen, Tris-emästä sisältäviin puskureihin sekä natrium- ja kaliumfosfaattipuskureihin. Puskuri on liuos, jonka pH ei merkittävästi muutu happoa tai emästä siihen lisättäessä tai sitä laimennettaessa. Tris taas on yleinen puskurikomponentti, jota käytetään usein molekyylibiologiassa esimerkiksi DNA:ta ja proteiineja sisältävien liuosten puskurointiin.

“Havaitsimme melko yllättäen, että pelkkä Tris ja vesi toimivat matalilla Mg-pitoisuuksilla kaikkien DNA-origamirakenteiden kanssa – alle tuhannesosalla magnesiumin määrästä, jonka muut tutkimusryhmät ovat aiemmin raportoineet. Selitys lienee siinä, että vaikka puskurinvaihtomenetelmämme poistaa tehokkaasti kaikki vapaat ionit liuoksesta, se ei poista aivan kaikkea magnesiumia itse DNA-rakenteesta”, Linko sanoo.

Myös riittävästi natrium- ja kalium-ioneita sisältävät fosfaattipohjaiset puskurit osoittautuivat toimiviksi. DNA-origamin kestävyyteen vaikuttaa myös se, miten DNA-juosteet on pakattu rakenteeseen.

Lingon mukaan uudet tulokset osoittavat, että korkea Mg-pitoisuus ei ole välttämätön rakenteiden kestävyyden kannalta. DNA-origamit voivat sietää matalaa Mg-pitoisuutta pitkiäkin aikoja, kun puskurin komponentit on valittu oikein ja rakenteiden vaatimukset huomioitu.

“Voimme säilyttää rakenteita matalissa Mg-olosuhteissa viikkoja tai kuukausia näkemättä minkäänlaisia hajoamisen merkkejä. Nämä mielenkiintoiset havainnot voivat mahdollistaa sovelluksia, joita ei aiemmin osattu ajatellakaan”, Linko uskoo.

Tulokset julkaistiin Angewandte Chemie International Edition -lehdessä ja julkaisu on valittu lehden ns. ”Hot Paper”-artikkeliksi.

Linkki julkaisuun (onlinelibrary.wiley.com)

Tutkimusta ovat rahoittaneet Suomen Akatemia, Jane ja Aatos Erkon säätiö, Sigrid Juséliuksen säätiö sekä Deutsche Forschungsgemeinschaft.