Mână nanorobotică făcută din ADN prinde viruși pentru diagnosticare și blochează pătrunderea în celule

Cercetătorii de la Universitatea din Illinois Urbana-Champaign au dezvoltat un nanorobot revoluționar bazat pe ADN, numit NanoGripper, conceput pentru a detecta și inhiba virusurile la scară nanometrică. Echipa, condusă de profesorul Xing Wang, a creat această structură inovatoare folosind tehnici de origami ADN, pliând un singur fir de ADN într-o formă ce seamănă cu o mână umană, cu palmă și patru degete flexibile. Fiecare deget are trei articulații, imitând dexteritatea unui deget uman, permițând NanoGripper-ului să „prindă” eficient particulele virale individuale.

Design și funcționalitate

• Construcție prin origami ADN: NanoGripper este pliat dintr-o singură bucată de ADN, valorificând rezistența, flexibilitatea și programabilitatea moleculelor de ADN. Această metodă permite crearea atât a componentelor statice, cât și a celor dinamice într-un singur pas, stabilind un precedent nou în domeniul nanotehnologiei ADN.
• Degete flexibile cu aptameri: Fiecare deget al NanoGripper-ului conține regiuni cunoscute sub numele de aptameri ADN, care sunt secvențe scurte de ADN monocatenar proiectate să se lege specific de molecule țintă. În această aplicație, aptamerii sunt programați să recunoască proteina spike a SARS-CoV-2, virusul responsabil de COVID-19.
• Mecanism de acțiune: La legarea de virusul țintă, aptamerii declanșează îndoirea degetelor, permițând NanoGripper-ului să se înfășoare și să țină ferm particula virală. Această acțiune mecanică nu numai că ajută la detectare, dar are și potențialul de a bloca virusul să infecteze celulele gazdă.

Aplicații în diagnosticare

• Detectare rapidă a COVID-19: În colaborare cu echipa profesorului Brian Cunningham, cercetătorii au integrat NanoGripper-ul cu o platformă de senzori cu cristale fotonice pentru a dezvolta un test rapid pentru COVID-19. Acest test poate detecta direct virusurile SARS-CoV-2 intacte din probe de salivă umană în decurs de 30 de minute.
• Sensibilitate ridicată: Testul bazat pe NanoGripper egalează sensibilitatea testelor moleculare standard qPCR utilizate în mediile clinice, dar oferă rezultate mult mai rapid. Când NanoGripper-ul ține virusul, concentrează molecule fluorescente în jurul acestuia. Iluminarea cu un LED sau laser declanșează aceste molecule să emită lumină, permițând numărarea individuală a particulelor virale.

Potențial terapeutic

• Prevenirea infecției virale: Experimentele au demonstrat că NanoGripper-urile pot inhiba infecția virală prin blocarea interacțiunii dintre virus și receptorii de pe suprafața celulelor gazdă. Când au fost introduse în culturi celulare expuse la SARS-CoV-2, roboții NanoGripper s-au înfășurat în jurul virusurilor, împiedicându-le să intre în celule.
• Tratamente preventive: Cercetătorii propun dezvoltarea de spray-uri nazale antivirale care conțin NanoGripper ca măsură preventivă împotriva virusurilor respiratorii precum COVID-19 și gripa. Astfel de spray-uri ar putea captura și neutraliza virusurile în pasajele nazale înainte ca acestea să infecteze celulele.

Versatilitate și aplicații viitoare

• Țintirea altor virusuri: Robotul NanoGripper poate fi reprogramat pentru a viza o varietate de virusuri, inclusiv gripa, HIV și hepatita B, prin modificarea aptamerilor ADN pentru a recunoaște diferiți markeri virali.
• Tratamentul cancerului: Dincolo de virologie, NanoGripper-ul prezintă potențial pentru administrarea țintită de medicamente în terapia cancerului. Prin proiectarea aptamerilor pentru a recunoaște markeri specifici ai celulelor canceroase, NanoGripper-ul ar putea livra agenți terapeutici direct către celulele maligne, sporind eficacitatea tratamentului și minimizând efectele secundare.
• Avans în nanorobotică moale: Această inovație demonstrează potențialul nanoroboticii moi în aplicații biomedicale. Abilitatea de a proiecta dispozitive la scară nanometrică cu funcții mecanice deschide noi direcții pentru interacțiunea cu sistemele biologice la nivel molecular.

Provocări și considerații

• Ajustări structurale: Pentru a optimiza NanoGripper-ul pentru diverse aplicații, sunt necesare ajustări ale structurii sale 3D și ale stabilității. Asigurarea funcționalității dispozitivului în diferite medii biologice este esențială pentru utilizarea sa practică.
• Specificitatea țintirii: Dezvoltarea de aptameri sau nanocorpi cu specificitate ridicată pentru diferite ținte necesită cercetări ample. Țintirea precisă este esențială pentru a evita interacțiunile neintenționate cu molecule sau celule non-țintă.
• Testări clinice: Deși rezultatele inițiale sunt promițătoare, sunt necesare testări clinice extensive pentru a valida siguranța și eficacitatea NanoGripper-ului atât în context diagnostic, cât și terapeutic.

Concluzie

Dezvoltarea NanoGripper-ului reprezintă un avans semnificativ în nanotehnologie și inginerie biomedicală. Prin valorificarea proprietăților unice ale ADN-ului și a preciziei origami-ului ADN, cercetătorii au creat un instrument versatil capabil să detecteze, să captureze și să neutralizeze potențial virusurile la scară nanometrică. Această tehnologie nu numai că oferă o metodă mai rapidă și extrem de sensibilă pentru detectarea virusurilor, dar deschide și posibilități pentru tratamente preventive și sisteme de administrare țintită a medicamentelor. Cercetările în curs și dezvoltările viitoare ale NanoGripper-ului ar putea avea implicații profunde în combaterea bolilor virale și în avansarea medicinei personalizate.

sursa: Science Daily
foto: Xing Wang