Nederlandse onderzoekers bouwen nanospuitje van DNA dat cellen binnendringt

Stof door een celwand krijgen is een van de lastigste problemen in de biologie. Meestal gebeurt dat via diffusie: moleculen bewegen vanzelf van een plek met veel naar een plek met weinig concentratie, dwars door poriën in het membraan. Maar dat proces is traag en moeilijk te sturen. Onderzoekers van de Universiteit van Stuttgart hebben nu een alternatief ontwikkeld: een nanomachine die mechanisch een membraan doorboort, precies zoals bepaalde bacteriën en zelfs de medische techniek voor kunstmatige bevruchting dat doen op hun eigen schaal. Het team publiceerde de resultaten in het tijdschrift Nature Nanotechnology.

Een spuitje gebouwd uit DNA-strengen

Het apparaat, dat de onderzoekers een DNA-nanospuit noemen, bestaat uit twee onderdelen die beide zijn opgebouwd uit DNA-strengen die zichzelf vouwen tot een vooraf ontworpen vorm. Eén deel verankert zich aan het vetmembraan van een cel, het andere deel is een beweegbare naald. Een schuifmechanisme verbindt beide onderdelen. Door gerichte chemische reacties tussen DNA-strengen schuift de naald naar voren, prikt door het membraan heen en trekt zich vervolgens weer terug. Omdat de beweging omkeerbaar is, blijft het membraan na gebruik intact. Aan de naald kunnen moleculen worden vastgemaakt die op deze manier de cel worden binnengesmokkeld. Het gaat hier om zogeheten synthetische cellen: kunstmatig gemaakte membraanblaasjes die als eenvoudig model dienen voor echte cellen, en die onderzoekers gebruiken om biologische processen na te bootsen in het lab.

Meer dan alleen transport

De onderzoeksgroep, onder leiding van professor Laura Na Liu, ontdekte dat het spuitje niet alleen moleculen kan afleveren, maar ook processen binnen in de cel kan aansturen. Zo activeerden ze op de plek van het membraan gerichte DNA-reacties, zetten ze via de nanospuit de aanmaak van RNA aan en brachten ze DNAzymen naar binnen: kunstmatige moleculen die als een schaar specifieke RNA-stukjes doorknippen. Daarmee toont het team aan dat mechanische toegang tot een cel ook gebruikt kan worden om biochemische processen op een precies tijdstip te starten, in plaats van dat alles overgelaten wordt aan toeval en diffusie.

Volgens de onderzoekers is de betekenis van het werk breder dan alleen transport. Door beweging toe te voegen aan het gereedschap van de synthetische biologie, kunnen DNA-nanodeeltjes voortaan actief inspelen op hun omgeving in plaats van alleen passief te reageren op moleculaire herkenning. Toekomstige versies zouden eiwitten, genetisch materiaal en andere biomoleculen gericht kunnen afleveren. Dat opent perspectief voor nieuwe vormen van moleculaire therapie en voor kunstmatige biologische interfaces die real-time met levende systemen kunnen communiceren, aldus de onderzoekers.