Des chercheurs du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l'Université Harvard ont développé un dispositif robotique fabriqué à partir d'ADN qui pourrait potentiellement rechercher des cibles cellulaires spécifiques dans un mélange complexe de types cellulaires et fournir des instructions moléculaires importantes, comme dire aux cellules cancéreuses de s'autodétruire. Inspiré par la mécanique du système immunitaire du corps, la technologie pourrait un jour être utilisée pour programmer des réponses immunitaires pour traiter diverses maladies. Les résultats de la recherche apparaissent aujourd'hui dans Science .

En utilisant la méthode de l'origami ADN, dans lequel des formes et des objets tridimensionnels complexes sont construits en repliant des brins d'ADN, Shawn Douglas, Doctorat., un Wyss Technology Development Fellow, et Ido Bachelet, Doctorat., un ancien boursier postdoctoral Wyss qui est maintenant professeur adjoint à la Faculté des sciences de la vie et au Nano-Center de l'Université Bar-Ilan en Israël, a créé un robot nanométrique sous la forme d'un tonneau ouvert dont les deux moitiés sont reliées par une charnière. Le baril d'ADN, qui agit comme un conteneur, est maintenu fermé par des verrous d'ADN spéciaux qui peuvent reconnaître et rechercher des combinaisons de protéines de surface cellulaire, y compris les marqueurs de la maladie. Lorsque les verrous trouvent leurs cibles, ils se reconfigurent, amenant les deux moitiés du baril à s'ouvrir et à exposer son contenu, ou charge utile. Le conteneur peut contenir différents types de charges utiles, y compris des molécules spécifiques avec des instructions codées qui peuvent interagir avec des récepteurs de signalisation de surface cellulaire spécifiques.

Douglas et Bachelet ont utilisé ce système pour donner des instructions, qui ont été codés dans des fragments d'anticorps, à deux types différents de cellules cancéreuses :la leucémie et le lymphome. Dans chaque cas, le message adressé à la cellule était d'activer son « interrupteur suicide », une caractéristique standard qui permet d'éliminer les cellules vieillissantes ou anormales. Et comme les cellules de leucémie et de lymphome parlent des langues différentes, les messages ont été écrits dans différentes combinaisons d'anticorps.

Cette approche nanothérapeutique programmable a été calquée sur le propre système immunitaire du corps dans lequel les globules blancs patrouillent dans la circulation sanguine pour détecter tout signe de trouble. Ces combattants de l'infection sont capables de se concentrer sur des cellules spécifiques en détresse, lier à eux, et leur transmettre des signaux compréhensibles pour s'autodétruire. Le nanorobot à ADN émule ce niveau de spécificité grâce à l'utilisation de composants modulaires dans lesquels différentes charnières et messages moléculaires peuvent être commutés dans et hors du système de distribution sous-jacent, autant que différents moteurs et pneus peuvent être placés sur le même châssis. La puissance programmable de ce type de modularité signifie que le système a le potentiel d'être un jour utilisé pour traiter une variété de maladies.

« Nous pouvons enfin intégrer des fonctions de détection et de calcul logique via des pourtant prévisible, nanostructures - certains des premiers hybrides d'ADN structurel, anticorps, aptamères et amas d'atomes métalliques - destinés à être utiles, ciblage très spécifique des cancers humains et des lymphocytes T, " dit George Church, Doctorat., membre principal du corps professoral de Wyss et professeur de génétique à la Harvard Medical School, qui est le chercheur principal du projet.

Parce que l'ADN est un matériau naturel biocompatible et biodégradable, La nanotechnologie de l'ADN est largement reconnue pour son potentiel en tant que mécanisme d'administration de médicaments et de signaux moléculaires. Mais il y a eu des défis importants à sa mise en œuvre, tels que le type de structure à créer ; Comment ouvrir, proche, et rouvrir cette structure pour insérer, transport, et livrer une charge utile ; et comment programmer ce type de robot nanométrique.

En combinant pour la première fois plusieurs éléments nouveaux, le nouveau système représente une avancée significative pour surmonter ces obstacles à la mise en œuvre. Par exemple, parce que la structure en forme de tonneau n'a pas de couvercle supérieur ou inférieur, les charges utiles peuvent être chargées latéralement en une seule étape, sans avoir à ouvrir la structure puis à la refermer. Aussi, tandis que d'autres systèmes utilisent des mécanismes de libération qui répondent à l'ADN ou à l'ARN, le nouveau mécanisme utilisé ici répond aux protéines, qui se trouvent le plus souvent à la surface des cellules et sont en grande partie responsables de la signalisation transmembranaire dans les cellules. Finalement, il s'agit du premier système basé sur l'ADN origami qui utilise des fragments d'anticorps pour transmettre des messages moléculaires, une fonctionnalité qui offre un moyen contrôlé et programmable de répliquer une réponse immunitaire ou de développer de nouveaux types de thérapies ciblées.

"Ce travail représente une percée majeure dans le domaine de la nanobiotechnologie car il démontre la capacité de tirer parti des avancées récentes dans le domaine de l'origami à ADN mis au point par des chercheurs du monde entier, y compris William Shih du Wyss Institute, pour relever un défi du monde réel, à savoir tuer les cellules cancéreuses avec une spécificité élevée, " a déclaré le directeur fondateur du Wyss Institute, Donald Ingber, MARYLAND., doctorat Ingber est également professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et du programme de biologie vasculaire à l'Hôpital pour enfants de Boston, et professeur de bio-ingénierie à la faculté d'ingénierie et de sciences appliquées de Harvard. "Cette concentration sur la traduction des technologies du laboratoire en produits et thérapies transformatrices est l'objectif du Wyss Institute."