Los científicos han diseñado y sintetizado cadenas de moléculas con una secuencia y longitud precisas para proteger de manera eficiente las nanoestructuras de ADN en 3D de la degradación estructural en una variedad de condiciones biomédicas relevantes. Demostraron cómo estos "origami de ADN recubiertos de peptoides" tienen el potencial deutilizarse para administrar fármacos y proteínas contra el cáncer, obtener imágenes de moléculas biológicas y dirigirse a los receptores de la superficie celular implicados en el cáncer. Su método para diseñar peptoides para estabilizar el ADN origami en entornos fisiológicos se describe en un artículo publicado en Actas de la Academia Nacional de Ciencias la semana del 9 de marzo
Similar al arte japonés del plegado de papel, el origami de ADN es el plegado de cadenas de ADN largas y flexibles en las formas deseadas en la nanoescala mil millonésimas de metro "engrapando" diferentes partes de la cadena con los pares de bases complementarios de cortoHebras de ADN. Estas arquitecturas a nanoescala programables y controladas con precisión podrían ser beneficiosas para muchas aplicaciones biomédicas, incluida la administración dirigida de fármacos y genes a tejidos o células deseados, obtención de imágenes de procesos biológicos dentro del cuerpo y biosensores para la detección de enfermedades o la vigilancia de la salud. Sin embargo, habilitar tales aplicaciones requerirá soluciones para proteger las estructuras de origami de ADN en fluidos biológicos complejos y habilitar nuevas funciones que no son inherentes al ADN.
"Uno de los factores limitantes en la aplicación de los beneficios de estructura y forma del origami de ADN a la nanomedicina es que, colocada dentro del cuerpo humano, la nanoestructura del ADN sería fácilmente digerida por enzimas o degradada en respuesta a cambios en la composición de la solución o el nivel de pH", explicó el primer autor Shih-Ting Christine Wang, un postdoctorado en el Grupo de Nanomateriales Blandos y Bio del Centro de Nanomateriales Funcionales CFN en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE". En esta investigación,Sintetizamos moléculas biocompatibles llamadas peptoides con una composición y longitud de secuencia molecular bien definidas. Cubrimos origami de ADN en forma octaédrica, que tiene una alta estabilidad mecánica y un gran espacio abierto para transportar cargas a nanoescala, como medicamentos anticancerosos de moléculas pequeñas.con estos peptoides. Nuestras demostraciones mostraron que los recubrimientos de peptoides protegían eficazmente el origami del ADN en diversas condiciones fisiológicas y apoyaban la adición de diferentes componentesfuncionalidades micas para aplicaciones biomédicas. "
Los peptoides se asemejan a péptidos o cadenas cortas de aminoácidos. Sin embargo, en los peptoides, las cadenas laterales grupos químicos unidos a la cadena principal o la columna vertebral de la molécula están unidas al nitrógeno en lugar de al carbono. Además, los peptoides son más flexibles, debido a la falta de enlaces de hidrógeno en la columna vertebral. Esta flexibilidad se puede aprovechar para controlar cómo los peptoides se unen al origami de ADN.
"Nuestro objetivo era hacer un recubrimiento minimalista que no agregara volumen al origami pero que al mismo tiempo fuera lo suficientemente eficiente como para ofrecer protección, solubilidad y compatibilidad con diferentes biofunciones", dijo el autor correspondiente Oleg Gang, líder de CFNSoft and Bio Nanomaterials Group y profesor de ingeniería química y de física aplicada y ciencia de los materiales en Columbia Engineering. "Si el origami recubierto se vuelve voluminoso, su forma y cómo interactúa y acomoda otras biomoléculas y origami se verían afectados, introduciendo una variedadde complicaciones. "
Wang y Gang, con la ayuda de un colaborador del Imperial College de Londres, utilizaron las instalaciones de la Fundición Molecular MF del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para sintetizar dos tipos de arquitecturas peptoides para la protección del ADN origami: tipo pincel y tipo bloque. Ambas arquitecturas tienenun dominio de unión al ADN parte cargada positivamente que se une al ADN cargado negativamente y un dominio soluble en agua parte que asegura que el ADN esté rodeado por moléculas de agua, que son necesarias para la estabilización. La arquitectura de tipo cepillo alterna entre estos dos dominios, mientras que la arquitectura de tipo bloque los agrupa para formar "bloques" distintos.
Para determinar qué tipo era mejor para brindar protección, los científicos estudiaron la unión entre el ADN bicatenario dúplex y los peptoides. Los experimentos con tinte fluorescente que se une al ADN mostraron que una arquitectura específica tipo cepillo era más eficienteen la estabilización del ADN dúplex recubierto con peptoides a alta temperatura. Un colaborador de la Universidad RMIT en Australia simuló las interacciones ADN-peptoide a nivel molecular para comprender por qué.
"Creemos que la estructura alterna logra un equilibrio, ya que algunas piezas se sientan dentro del surco de la estructura de doble hélice del ADN para conferir protección, mientras que otras piezas sobresalen para interactuar favorablemente con el agua", dijo Wang.La configuración es del tipo de cepillo con 12 grupos de unión al ADN y 12 solubles en agua. "
Guiado por estos estudios, el equipo investigó la estabilidad estructural del origami de ADN recubierto de peptoides en varios tipos de condiciones fisiológicamente relevantes: en una solución que contiene una baja concentración de iones de magnesio Mg cargados positivamente, en una solución que contiene un ADN-nucleasa específica tipo de enzima, y se incuban en medios de cultivo celular que contienen tanto nucleasas como iones Mg en baja concentración. Normalmente, se requiere una alta concentración de iones Mg para estabilizar el ADN origami al reducir la repulsión de ADN-ADN negativocargas, pero los fluidos fisiológicos contienen concentraciones mucho más bajas.
Para sus investigaciones, utilizaron una combinación de técnicas experimentales: electroforesis en gel de agarosa, un método para separar fragmentos de ADN u otras macromoléculas en función de su carga y tamaño; imágenes de microscopía electrónica de transmisión y dispersión dinámica de luz en el CFN;y dispersión de rayos X de ángulo pequeño en tiempo real en la línea de luz de dispersión de rayos X de ciencias biológicas LiX de la fuente de luz sincrotrón nacional II de Brookhaven NSLS-II. Los resultados indicaron que la estructura del origami había permanecido intacta después defue recubierto con peptoides específicamente diseñados y colocado en las diferentes condiciones fisiológicas.
Después de estos experimentos, los científicos llevaron a cabo una serie de demostraciones en colaboración con el Grupo Bertozzi en la Universidad de Stanford para explorar cómo el origami recubierto de peptoides podría usarse en aplicaciones biomédicas. Por ejemplo, cargaron el fármaco de quimioterapia doxorrubicina en el origami recubierto. La doxorrubicina es uno de los medicamentos que se administran comúnmente a pacientes con cáncer de mama HER2 positivo, en el que una sobreexpresión de la proteína HER2 un receptor en las células mamarias hace que las células se dividan y crezcan de manera incontrolable. Durante 48 horas, el origami recubierto libera menosde la doxorrubicina que su contraparte no recubierta, medida a través de la intensidad de la fluorescencia intrínseca del fármaco.
"El objetivo final es poder modular la velocidad de liberación durante el proceso de administración del fármaco para controlar los efectos biológicos y tóxicos", explicó Wang.
En una segunda demostración de nanocargo, investigaron si las proteínas podrían administrarse de una manera similar. Encapsularon una proteína derivada de la vaca unida a moléculas fluorescentes para visualización dentro del origami recubierto en presencia de la enzima que digiere la proteína tripsina.La digestión de esta proteína encapsulada por tripsina se redujo y ralentizó debido a una combinación del ADN origami y el recubrimiento peptoide.
En una demostración final, funcionalizaron la superficie del origami de ADN recubierto de peptoides con trastuzumab. Más comúnmente conocido por la marca Herceptin, trastuzumab es un anticuerpo que se dirige a los receptores HER2. Al unirse a estos receptores, trastuzumab bloquea las células cancerosasde recibir las señales químicas que necesitan para crecer. Lograron la funcionalización de la superficie agregando grupos químicos a sitios específicos en la molécula de trastuzumab y en las secuencias peptoides. A través de la "química del clic", estos grupos reaccionan selectivamente para formar enlaces covalentes similar a hacer clicuna hebilla del cinturón de seguridad.
En experimentos de seguimiento, Wang planea explorar el potencial de la terapia combinatoria, en la que el origami de ADN recubierto de peptoides que lleva doxorrubicina y presenta una superficie funcionalizada con trastuzumab se dirige a las células de cáncer de mama HER2 positivas.
Wang recibió fondos a través del Programa de Maduración de Tecnología de Brookhaven para desarrollar aún más esta tecnología sobre la base de un discurso que desarrolló como participante en el segundo taller de capacitación en emprendimiento organizado por la Oficina de Transferencia de Tecnología de Brookhaven en abril de 2019. Recientemente, el Grupo Legal de Propiedad Intelectual de Brookhavenpresentó una solicitud de patente provisional para la metodología de diseño de peptoides a la Oficina de Patentes y Marcas de EE. UU.
"Ahora estamos pasando a la etapa de traslación, realizando experimentos utilizando células y organismos potencialmente completos", dijo Gang.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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