Lupaava uutinen biolääketieteelle: DNA-origamit ovat luultua kestävämpiä

DNA-origamirakenteet (vihreät kolmiot) säilyttävät muotonsa ja ominaisuutensa vaikka Mg-pitoisuutta lasketaan voimakkaasti origamin valmistusolosuhteisiin nähden. Kuva: Boxuan Shen ja Veikko Linko

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 on kaavailtu 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 Kellerin kanssa.

Puskuri on liuos, jonka pH ei merkittävästi muutu happoa tai emästä siihen lisättäessä tai sitä laimennettaessa. 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. Tris 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 on julkaistu Angewandte Chemie International Edition –lehdessä ja julkaisu on valittu lehden ns. ”Hot Paper”-artikkeliksi.

“On the Stability of DNA Origami Nanostructures in Low-Magnesium Buffers”
Angewandte Chemie International Edition 2018

http://dx.doi.org/10.1002/anie.201802890

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

Lisätietoja:

Dosentti Veikko Linko

Biohybridimateriaalit, Aalto-yliopisto, Kemian tekniikan korkeakoulu
puh. 045 673 9997
[email protected]