Michiganská universita se nedávno chlubila miniaturizací portrétu Obamy. Šlo o strukturu vytvořenou nanolitografií o rozměru stovek mikrometrů. Na University of Birmingham se letos bavili nejmenší valentinkou na světě zhotovenou z atomů palladia. Má rozměr pouhých osm nanometrů. Se svými výtvory o rozměrech stovek nanometrů je na tom kanadská McGill University zhruba uprostřed. Nejde tedy o nějaké „nej“ a v trendu miniaturizace to sotva stojí za řeč. Jenže! Kanaďanka Hanadi Sleimanová se svým týmem sestrojuje své struktury z molekul DNA. Sdělovací prostředky hovoří o „magických kuličkách“, jež by jednoho dne měly doručovat léky specificky až ke konkrétním nemocným buňkám. Ve skutečnosti ony zmíněné kuličky jsou na tom všem to nejméně podstatné, novinkou jsou nanotrubičky jimiž se kuličky zapouzdřují.
Začalo to u origami
DNA origami vděčí za svůj vznik vědeckým žertíkům. Smajlíci a mapa USA stály u zrodu toho, co se nyní zabydluje v genetických slovnících. Je to paradox, protože s přenášením genů a vlastností to nemá nic společného. Dokonce jde o zcela nepřirozené věci, které se v přírodě nevyskytují. Paul Rothemund a Erik Winfree z Kalifornského technologického institutu začali v roce 2006 z molekul DNA místo dvoujšroubovice dělat „plachty“ na něž pak připevňovali druhou vrstvu s požadovaným vzorem (obrázkem). Za pouhé čtyři roky je z DNA origami směr o němž si mnozí myslí, že nám brzo změní život. Nejblíže využití je zřejmě detekční metoda, při níž se základní DNA dlaždice stávají strukturami schopnými detekovat jiné struktury. Těmi mohou být geny (úseky DNA) anebo také jen jejich produkty (RNA). DNA „destičky“ lze využít k odhalování funkčních genů, stejně jako k určování původců virových onemocnění podle jejich specifických sekvencí. Výhodou je, že vše lze provádět v neuvěřitelně malých objemech a s minimální spotřebou testovaného materiálu. V objemu jednoho mikrolitru mohou být triliony DNA nanostruktur schopných detekovat příslušný gen nebo virus. V praxi to pak vypadá tak, že se synteticky připraví a následně replikuje vlákno DNA, které se poskládá do struktury listu, z něhož se připraví DNA nanodestičky. Ty pak slouží jako sondy ke zjišťování exprese cílových genů. Zda je sledovaný gen zapnutý nebo vypnutý se pozná podle toho, zda se na DNA destičku naváže jeho produkt – RNA. Pokud k takovému kontaktu dojde, vazba DNA – RNA změní tvar a chování destičky. V místě pro komplementární vazbu s molekulou RNA dojde ke ztluštění, které lze snadno odečíst například opticky. Samozřejmě, že odečítání takových reakcí se dělá pomocí mikroskopu. Test ale lze modifikovat tak, aby se výsledek reakce dal přečíst i pouhým okem (podle zakalení ve zkumavce), vyšetření je ale pak patřičně dražší, protože se pracuje s velkými objemy.
Téměř půl století nás nenapadalo dělat nic jiného, než napodobovat přírodu a vytvářet z DNA šroubovici. Až před několika lety vědce napadlo vytvářet DNA ve formě plátků. Pak následovalo smotání do válce a rozběhly se další hrátky s umělou DNA. V loňském roce vědci z Floridy dokonce ohlásili vytvoření zcela jiného itineráře pro život, než na jaký jsme v přírodě zvyklí. Pro jejich výtvory, které jsou z nepřirozených bází, se vžívá termín „nukleové kyseliny druhé generace“. Zatímco příroda si vystačí se čtyřmi bázemi, Bennerův tým jich vytvořil více než půl tuctu. Nazvali je: Z, P, V, J, Iso-C, Iso-G, X a K. Jde o systém kódování, který má třikrát více chemických písmen, než kolik nás učili ve škole při hodinách biologie věnovaných dvojšroubovici DNA. Jejich arteficielní genetický systém se neřídí Watson-Crickovými pravidly pro stavbu DNA. Vykonstruovaná nová genetická abeceda je základem detekčních testů a již pomáhá nemocným s hepatitidou B, hepatitidou C a nemocným infikovaným virem HIV. Podrobnosti ZDE.
S molekulami DNA dnes vědci dělají divy. Splétají je do prostorově komplikovaných obrazců a jednotlivé vrstvy propojují vertikálně pomocí křížově reagujících můstků. Jedny z nových origami struktur jsou DNA krabičky o rozměrech strany 30 nanometrů. Jde o klece z uměle poskládaných nukleotidů, do nichž se vejde po jednom ribozomu (miniaturní buněčná elektrárna). Tyto kontejnery lze opatřit jakýmsi zámkem a otevírat jej za pomoci genového klíče. Na jejich uplatnění v léčbě se zatím čeká.
Tým Sleimanové nyní přichází s další modifikací a vylepšením metody tvorby přepravních DNA „kontejnerů“. Konstruují je z DNA nanotrubiček. Snadno tak mohou vytvářet libovolné tvary a struktury, které podle požadavku na budoucí vlastnosti lze zcela uzavřít, nebo je nechat částečně pórovité. Látky tak jde zapouzdřit a uvolnit na pokyn až v místě kde chceme, aby účinkovaly. Tyto konzervy se otevírají na heslo specifického genového klíče (stejně jako v případě již zmíněných krabiček). Uvolnění obsahu jde urychlit i pomocí paklíče ze „šuplíku“ nadepsaného „Restrikční enzymy“. To jsou látky s funkcí nůžek, které umí DNA stříhat. Každý typ nůžek to dokáže jen v určitém místě. Pokud by se takové místo nikde jinde v genomu (chromozomech) nevyskytovalo, nic by v genomu takové stříhání nemohlo poničit a žádné nebezpečí z použití by nám nehrozilo.
Kanadské DNA nanotrubky lze snadno modifikovat a volbou různých nukleotidů lze docílit spoje pružné nebo tuhé. Tak vznikají struktury různých fyzikálních vlastností. Trubky lze prodlužovat. Zatímco jeden modul má rozměr několika nanometrů, jejich spojováním lze získávat „růžence“ dlouhé 20 000 nanometrů i více (10 000 nm je průměr lidského vlasu). Do každého modulu je možno zabudovat kuličku s léčivem. Samozřejmě, že ty nejmenší nanostruktury by mělo jít využít k dopravě potřebných látek přes membránu až do samotných buněk.
Kde všude bude možno v budoucnu tuto technologii využít si zatím jen těžko dokážeme přestavit. Novináři celou věc již nafoukli a tak se můžeme setkat s formulacemi, že s nimi půjde zastavit rakovinu. K uvedení věci na pravou míru je zřejmě nejlepší použít citaci Sleimanové v jejíž dílně nanotrubky připravují: „Od léčby touto technologií jsme ještě daleko. Je to teprve začátek, ale je to krok správným směrem“.
Než si DNA nano-růžence s léčivým efektem budeme moci chodit kupovat do lékárny, bude potřeba nejprve zjistit, jak je máme aplikovat. Také zbývá ještě vyzkoušet, jak na tyto DNA struktury bude tělo reagovat. I když molekula DNA by neměla budit u imunitního systému zvláště velkou pozornost, může přehnané naděje zhatit obyčejná náhodná strukturální podobnost s něčím, co se jeho veličenstvu leukocytům, nebude líbit. Jistým varováním jsou popsané případy alergie nasměrované dokonce na vlastní DNA.
Diagnostika s DNA nanopartikulemi se již rozběhla a jejich využití k léčbě v oblasti nanomedicíny na sebe nenechá dlouho čekat. Poněkud úsměvné na tom všem je, že to, co si vědci původně vypůjčili od přírody a udělali z DNA něco k čemu jí evoluce nestvořila, se teď v podobě nepřirozené struktury vší silou snaží dostat do biologických systémů zase zpět.
Diskuze:
