DNA折纸纳米结构： 重塑病毒外壳形状 推动生物医学发展

DNA折纸纳米结构：重塑病毒外壳形状推动生物医学发展DNA折纸纳米结构（蓝色）可用于设计病毒颗粒（灰色）的形状。直径为28纳米的原生噬菌体显示为绿灰色。资料来源：MauriA.Kostiainen/阿尔托大学科研团队通过生成"结构化基因组"模板来组装囊壳蛋白，从而解决了这一难题。他们利用刚性DNA折纸结构来防止柔性基因组变形和形成不需要的形状。这些结构的尺寸很小，从几十纳米到几百纳米不等，但完全由DNA构成，并被精确地折叠成所需的模板形状。"我们的方法基于DNA纳米结构的负电荷与帽状蛋白的正电荷结构域之间的静电相互作用，以及单个蛋白之间的内在相互作用。通过改变蛋白质的用量，我们可以微调高度有序的蛋白质层的数量，从而将DNA折纸封装起来，"论文第一作者、阿尔托大学博士研究员伊里斯-塞茨（IrisSeitz）说。"通过使用DNA折纸作为模板，我们可以引导噬菌体蛋白形成用户定义的大小和形状，从而形成长度和直径都非常明确的组合体。通过测试各种DNA折纸结构，我们还了解了模板的几何形状对整个组装的影响，"Seitz补充说。"在低温电子显微镜成像技术的帮助下，我们能够观察到组装后高度有序的蛋白质，并由此测量出不同模板对组装几何形状产生的微小变化，"赫尔辛基大学的合作科学家JuhaHuiskonen教授解释说。"我们发现了一种简单而有效的策略，可以将帽状蛋白（重新）引导到所需的形状。这种方法适应性强，因此并不局限于单一的噬菌体蛋白类型，正如我们用四种不同病毒的噬菌体蛋白所证明的那样。此外，我们还可以调整我们的模板，使其更贴近应用，例如将RNA整合到折纸中，然后将其转化为有用的或特定位点的蛋白质，"该研究项目负责人阿尔托大学教授MauriKostiainen解释说。虽然DNA折纸结构是一种很有前途的生物系统接口材料，但它们存在不稳定性，尤其是在有DNA降解酶存在的情况下。"但在实验中，我们可以清楚地观察到，蛋白质层能有效保护封装的DNA纳米结构不被降解。"Kostiainen总结说："通过将保护与核酸折纸的功能特性相结合，包括将DNA或信使RNA与其他货物分子一起输送的可能性，我们相信我们的方法为生物医学工程提供了有趣的未来方向。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1372373.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1372373.htm

研究人员打造DNA折叠涡轮 直径仅为25纳米

研究人员打造DNA折叠涡轮直径仅为25纳米研究人员开发出一种DNA折叠纳米涡轮，它具有根据离子浓度改变旋转方向的独特能力。这一进展为未来在细胞水平上的药物输送提供了潜力，并强调了利用盐梯度能量的前景。图片来源：CeesDekker实验室/SciXel从风车到飞机，流动驱动的涡轮机是塑造我们社会的许多革命性机器的核心。甚至生命本身的基本过程也严重依赖涡轮机，例如为生物细胞产生燃料的FoF1-ATP合酶和推动细菌的细菌鞭毛马达。这种纳米涡轮机有一个直径为25纳米的转子，由DNA材料制成，叶片按右手或左手方向配置，以控制旋转方向。为了运转，这种结构要停靠在强大的水流中，水流受电场或盐浓度差的控制，从薄膜上的纳米孔（一个微小的开口）流出。我们用涡轮机驱动一根刚性杆，每秒可转10圈。DNA折叠纳米涡轮的旋转受离子浓度的影响，为先进的药物输送和利用盐梯度获取能量铺平了道路。图片来源：CeesDekker实验室/SciXel这项研究最引人入胜的发现之一是DNA折纸纳米涡轮旋转的独特性。它的行为受离子浓度的影响，根据溶液中Na+离子的浓度，同一个涡轮可以顺时针或逆时针旋转。这一纳米级领域独有的独特功能是离子、水和DNA之间错综复杂的相互作用的结果。这些发现得到了伊利诺伊大学AlekseiAksimentiev小组大量分子动力学模拟和哥廷根大学MPI研究所RaminGolestanian理论建模的严格支持，有望拓展纳米技术的视野，并提供大量应用。例如，未来我们也许可以利用DNA折纸制作纳米机器，将药物输送到人体内的特定类型细胞中。这项研究的负责人塞斯-德克尔（CeesDekker）介绍了他们的研究方法："我们与慕尼黑工业大学亨德里克-迪茨（HendrikDietz）实验室的合作者一起，利用以前在DNA旋转电机方面的研究成果，创造出了一种可以完全控制其设计和运行的涡轮机。DNA折纸技术利用互补DNA碱基对之间的特殊相互作用来构建动态三维纳米物体。这种设计可以通过叶片的手感控制涡轮在纳米孔中的旋转方向，并可将涡轮直接集成到其他纳米机器上。"这项研究成果是继去年推出DNA有源纳米转子之后的又一成果，DNA有源纳米转子是一种能够将电能或盐梯度转化为实际机械功的自配置装置。更多信息用DNA构建纳米级转子。研究人员已经揭示了利用纳米孔中的水和盐推动纳米级转子的基本原理。在合理设计的推动下，今年的突破标志着其工作进入了下一个阶段，为未来的仿生跨膜机器奠定了基础，并有可能利用盐梯度的能量，这是生物马达能够使用的重要能源。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1393237.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1393237.htm

运用纳米颗粒和mRNA可能成为遗传性失明的新疗法

运用纳米颗粒和mRNA可能成为遗传性失明的新疗法这项研究今天（2023年1月11日）发表在《科学进展》杂志上。该研究由俄勒冈大学制药科学副教授GauravSahay、俄勒冈州立大学博士生MarcoHerrera-Barrera和俄勒冈健康与科学大学眼科助理教授ReneeRyals领导。科学家们克服了使用脂质纳米颗粒(LNP)携带遗传物质进行视力治疗的主要限制--让它们到达眼睛的后面，即视网膜的位置。脂质是脂肪酸和类似的有机化合物，包括许多天然油和蜡，纳米粒子是尺寸从十亿分之一到十亿分之一米不等的小块材料，信使RNA向细胞传递制造特定蛋白质的指令。在冠状病毒疫苗中，LNP携带的mRNA指示细胞制造一种无害的病毒尖峰蛋白，从而引发身体的免疫反应。作为对遗传性视网膜变性（IRD）导致的视力障碍的治疗，mRNA将指示光感受器细胞，该病是因为基因突变导致制造视力所需的蛋白质出现问题。IRD包括一组严重程度和流行程度不同的疾病，全世界每几千人中就有一人受到影响。科学家们在涉及小鼠和非人灵长类动物的研究中表明，配备有肽的LNP能够穿过眼睛的障碍，到达神经视网膜，在那里光被转化为电信号，大脑将其转换为图像。Sahay说："我们确定了一套新的肽，可以到达眼睛的后面。我们用这些肽充当'邮编'，将携带遗传物质的纳米颗粒送到眼睛内的预定地址。"Herrera-Barrera补充说："我们发现的肽可以作为直接与沉默的RNA、小分子治疗剂相连接的靶向配体，或者作为成像探针。"Sahay和Ryals获得了国家眼科研究所的320万美元资助，继续研究脂质纳米颗粒在治疗遗传性失明方面的前景。他们将领导使用脂质纳米颗粒来提供一种基因编辑工具的研究，这种工具可以删除光感受器细胞中的坏基因，并用功能正确的基因取代它们。这项研究的目的是为目前基因编辑的主要传递方式的局限性开发解决方案：一种被称为腺相关病毒，或AAV的病毒类型。Sahay说："与LNP相比，AAV的包装能力有限，而且它能引起免疫系统反应。它也不能很好地继续表达编辑工具所使用的酶，作为分子剪刀在待编辑的DNA上进行切割。我们希望利用我们迄今为止对LNP的了解来开发一种改进的基因编辑传递系统。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1338761.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1338761.htm

大肠杆菌变成了人造鼻的纳米线工厂

大肠杆菌变成了人造鼻的纳米线工厂当涉及到通过我们的鼻子感知我们周围的世界时，人类远远落后于我们的犬类伙伴。不过，为了努力追赶，科学家们多年来一直在努力工作，创造了一系列令人眼花缭乱的人工气味传感器。我们已经看到人造的"鼻子"可以从血液或尿液样本中发现癌症，从皮肤气味中检测出帕金森病，监测水中的细菌，找到自然灾害中埋在废墟下的人，并嗅出空气中的危险毒素。马萨诸塞大学阿默斯特分校（UMA）的研究人员说，这些传感器中使用的许多纳米线的问题是，它们是由有毒和不可降解的材料制成的，如硅或碳纤维。为了解决这个问题，研究小组转向了细菌解决方案。去年，UMA的微生物学家DerekLovley和电气与计算机工程师JunYao使用一种名为Geobactersulfurreducens的细菌创造了一种可穿戴的生物膜，该生物膜可通过汗水发电。该实验的成功集中体现在该细菌生长出能够实际导电的极小电线的能力。研究小组决定将这些纳米线用于他们新的人造鼻中。然而，巯基细菌很难培养，因为它需要非常特殊的条件才能生长。因此，该团队争取到了一种更坚韧的细菌的帮助。研究人员把'纳米线基因'--称为pilin--从G.sulfurreducens中取出，并把它拼接到大肠杆菌的DNA中，这是世界上最常见的细菌之一。除了让大肠杆菌开始生产纳米线外，Lovely和Yao还进行了额外的基因修改，使这些线被一种被称为DLESFL的肽所覆盖。这使得这些电线对氨的敏感度比以前高100倍，氨是肾脏疾病患者呼吸中的一种副产品。然后，这些生物导线被植入一个传感器，该传感器在发现氨方面比以前由传统材料制成的传感器更有效。Yao介绍说："这项研究最令人兴奋的事情之一是，我们正在将电气工程带入一个根本性的新方向。这些蛋白质纳米线的魅力在于，可以利用生命的基因设计来建立一个稳定的、多功能的、低影响的和具有成本效益的平台，而不是用不会生物降解的稀缺原材料制成的电线。"研究人员说，可以让这些微小的细菌工厂生产出涂有不同肽的电线，可以为其他疾病的化学制造者提供感应。"有可能设计出独特的肽，每个肽都能特异性地结合感兴趣的分子，"研究报告的共同作者ToshiyukiUeki说。"因此，随着更多由身体发出的、对某种特定疾病具有特异性的示踪分子被确定，我们可以制造出结合了数百种不同化学嗅觉的纳米线的传感器来监测各种健康状况。"这项研究已经发表在《生物传感器和生物电子学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1346099.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1346099.htm

东京大学研究人员正创造告别癌症的全新方式：人造DNA

东京大学研究人员正创造告别癌症的全新方式：人造DNA这些DNA对附着在miRNA上后，解开并结合，形成更长的DNA链，激活了免疫反应。这种反应不仅消除了癌细胞，而且还阻止了癌症的继续生长。这种创新方法有别于传统的癌症药物治疗，希望能开创药物开发的新时代。癌症是一种影响到全球数百万人的疾病。癌症是死亡的主要原因之一，2018年大约有960万人死亡。据估计，五分之一的男性和六分之一的女性在其一生中会患上癌症。癌症是可悲的全球健康问题，目前的治疗方法有其局限性。然而，基于核酸--即DNA和RNA，这些重要的信息携带分子--的药物可以控制细胞的生物功能，并有望改变医学的未来，为克服癌症和其他由病毒和遗传疾病引起的难以治疗的疾病的努力提供巨大的推动力。东京大学的一个研究小组在助理教授KunihikoMorihiro和工程研究生院的教授AkimitsuOkamoto的领导下受到启发，利用人工DNA创造一种新的抗癌药物。Okamoto说："我们认为，如果我们能够创造出通过与传统药物不同的作用机制起作用的新药物，它们可能对迄今为止无法治疗的癌症有效。"核酸药物用于癌症治疗一直是个挑战，因为很难使核酸区分出癌细胞和其他健康细胞。这意味着如果健康细胞不慎被攻击，就有可能对病人的免疫系统产生不利影响。然而，该团队首次能够开发出一种发夹状的DNA链，能够激活自然免疫反应，以瞄准并杀死特定的癌细胞。肿瘤溶解性DNA发夹对（oHPs）被引入到癌细胞中。当oHPs遇到致肿瘤的过度表达的microRNA（miRNA）时，它们会解开，与miRNA和彼此连接，形成更长的DNA链。这些拉长的链子然后触发免疫反应，即身体的内在防御机制，从而抑制肿瘤的进一步生长。癌细胞可以过度表达或制造过多的某些DNA或RNA分子的副本，导致它们无法正常运作。该团队创造了被称为oHPs的人造肿瘤（杀癌）发夹DNA对。当这些oHPs遇到一种叫做miR-21的短（微）RNA时，它们被触发形成更长的DNA链，这种RNA在一些癌症中过度表达。通常情况下，由于其弯曲的发夹形状，oHPs不会形成更长的链。然而，当人工oHPs进入一个细胞并遇到目标microRNA时，它们会打开与之结合并形成一条较长的链。然后，这导致免疫系统将过量表达的miR-21的存在识别为危险，并激活先天免疫反应，最终导致癌细胞死亡。这些试验对在人类宫颈癌衍生细胞、人类三阴性乳腺癌衍生细胞和小鼠恶性黑色素瘤衍生细胞中发现的过表达的miR-21有效。"该研究小组发现的由于短DNAoHPs和过量表达的miR-21之间的相互作用而形成的长DNA链，是其作为选择性免疫扩增反应的第一个例子，可以针对肿瘤的消退，提供了一类新的核酸药物候选物，其机制与已知的核酸药物完全不同，"Okamoto说。"这项研究的结果对医生、药物发现研究人员和癌症患者来说是个好消息，因为我们相信它将为他们提供药物开发和用药政策的新选择。下一步，我们将以这项研究的结果为目标进行药物研发，并详细研究药物的功效、毒性和潜在的给药方法"。在提供治疗方法之前，这项研究仍有许多步骤要走，但该团队对核酸在新药发现方面的好处充满信心。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1341807.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1341807.htm

超越螺旋：DNA的复杂折叠结构揭示其新功能

超越螺旋：DNA的复杂折叠结构揭示其新功能这个分子被设计用来模拟一种被称为绿色荧光蛋白（GFP）的蛋白质的行为。GFP最初从水母中提取，已成为实验室的一个重要工具，作为细胞内的发光标记或信标。显示Lettuce结构的插图，Lettuce是一种结合并激活来自绿色荧光蛋白的荧光团的DNA。资料来源：LuizF.M.Passalacqua这些发现推动了关于如何使DNA折叠成复杂形状的科学，并将帮助研究人员为各种实验室和临床应用构建这种DNA分子。例如，模仿GFP的全DNA荧光标签通常是生物研究和诊断测试工具中标记目标DNA片段的理想选择，而且制作成本相对低廉。研究报告的共同作者、格林伯格-斯塔尔药理学教授、威尔康奈尔医学院桑德拉和爱德华-梅耶癌症中心的成员萨米-贾弗里博士说："这些发现真的改变了我们对我们能用DNA做什么的理解。"自然界中的DNA大多以双链、"扭曲的阶梯"或"螺旋"的形式存在，并作为遗传信息的一个相对稳定的存储。细胞中所有其他复杂的生物过程都是由其他类型的分子完成的，尤其是蛋白质。去年，Jaffrey博士及其同事报告说发现了一种这样的分子：一种单链DNA，其折叠方式使其能够模仿GFP的活动。这种DNA分子，Jaffrey博士因其荧光发射的颜色而称之为"莴苣"，它通过与另一种小的有机分子，即类似于GFP核心的潜在荧光"荧光团"结合，并以一种激活其荧光能力的方式挤压它而起作用。研究人员展示了莴苣-荧光团组合作为快速检测SARS-CoV-2（COVID-19的原因）的荧光标签。Jaffrey博士和他的团队通过制作许多单链DNA并筛选出具有所需荧光团激活能力的单链DNA而发现了莴苣。但他们不知道莴苣用什么结构来获得这种能力。为了确定这种结构，他们在新的研究中求助于他们的长期合作者，NHLBI高级调查员AdrianR.Ferré-D'Amaré博士。在Ferré-D'Amaré博士团队的研究员LuizPassalacqua博士领导的研究中，使用了先进的结构成像技术，包括低温电子显微镜，以解决莴苣的原子级分辨率结构。他们发现莴苣折叠成一种形状，在其中心有一个四向的DNA连接点，这种类型是以前从未见过的，以激活荧光体的方式包围着它。他们还观察到，莴苣的折叠是通过核碱基之间的键固定在一起的--这些核碱基是DNA的组成部分，通常被称为四个字母的DNA字母表中的"字母"。Ferré-D'Amaré博士说："我们所发现的不是DNA试图像蛋白质一样；它是一种DNA，正在做GFP所做的事情，但以它自己的特殊方式。"研究人员说，这些发现应能加快荧光DNA分子的开发，如用于快速诊断测试的生菜，以及其他一系列科学应用，其中基于DNA的荧光标签是可取的。Jaffrey博士说："像这样的研究对于创造新的基于DNA的工具将是至关重要的。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368671.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368671.htm