Kan origami av DNA bli en del av kampen mot cancer?
I början av 80-talet arbetade en professor vid namn Ned Seeman på New York University. Ned Seeman försökte lösa protein-strukturer med kristallografi men han hade ett problem: Inga av de proteiner han arbetade med verkade bilda kristaller. För att kunna bestämma strukturen hos ett protein med röntgenkristallografi så måste man ha just kristaller. Så som Ned Seeman berättade historien, så var han på väg att förlora jobbet om han inte fick resultat. Han började fundera på alternativa sätt att ”hjälpa till” med kristallbildningen. Det han hittade på har sedan dess vuxit till ett helt fält, nämligen att använda små DNA-strängar för att sätta ihop designade strukturer. Under de följande årtiondena lärde vi oss att bygga med DNA lite som man bygger med Lego, fast på nanometerskalan och ett av fältets genombrott kom 2006 när Paul Rothemund, vid Caltech, upptäckte DNA origami.
Vad är DNA origami och hur fungerar det?
I DNA origami använder vi en lång, enkelsträngad DNA-molekyl och till den långa molekylen tillsätter vi små korta DNA-strängar som binder till olika delar av den långa. På så sätt så viks den långa strängen ihop och genom att designa hur, så kan vi väva nanometerstora “virkningar” av DNA, där formen bestäms helt och hållet av DNA-koderna som vi blandar. En typisk nanostruktur gjord med DNA origami är ungefär lika stor som ett virus, men vi kan designa och förutsäga formen på strukturerna med extrem precision.
Nanometerstora strukturer och deras användningsområden
DNA origami kan idag vika DNA till i princip vilken form vi vill, och forskare har gjort nanometerstora kuber, sfärer, gubbar med mera. Det kan liknas vid en teknik för 3D-utskrifter på nanometerskalan. Så varför är det viktigt? Jag vill hävda att DNA origami är en teknik som är helt omatchad i att skapa mönster av biologiska molekyler på nanometerskalan. Det vi gör,
är att vi använder DNA origami som en grundstruktur, en byggställning, och sedan dekorerar vi dessa med proteiner, peptider, små molekyler med mera. Genom att kontrollera exakt vilken bit av DNA som vi sätter ett protein på, så kan vi kontrollera exakt vilka mönster av dessa proteiner som bildas när vi viker vår DNA origami. Dessa nano-mönster av proteiner eller andra molekyler använder vi sedan för att studera hur celler reagerar. Genom att göra många sådana försök kan vi sakta lära oss att förstå cellernas blindskrift, hur celler via ytreceptorer känner av sin omgivning och reagerar på den.
Upptäckten av mönster för apoptos med TRAIL-liknande peptider
I ett försök för några år sedan utförde vi ett försök med peptider som imiterar TRAIL. TRAIL eller Dulanermin är ett protein som binder till s.k. dödsreceptorer, främst DR5 eller Death Receptor 5. Detta protein, samt antikroppsagonister som också binder till DR5 och DR4 (som Mapatumumab och Lexatumumab) har under relativt lång tid undersökts för cancerterapi eftersom aktivering av receptorn leder till apoptos som skulle kunna användas för att eliminera cancerceller. Med hjälp av tidigare hypoteser om hur DR5 signalerar kunde vi designa olika mönster på nanometernivå av den TRAIL-liknande peptiden med hjälp av DNA origami. Vi fann snabbt i cellstudier, att peptiden bara inducerade apoptos när den placerades i små, hexagonala mönster om sex peptider, med ett inbördes avstånd mellan peptiderna på mindre än 10 nm.2 Om peptiderna gavs i lösning, eller placerades på DNA origami med inbördes avstånd större än 10 nm, så var de verkningslösa.
Genom att använda DNA origami kunde vi alltså sluta oss till att bara vissa specifika mönster av dessa DR5-bindande peptider var cytotoxiska. Vi hade fått en ledtråd om hur en del av cellernas blindskrift fungerade och vi hade hittat ett meddelande (ett mönster) som verkade fungera som en order till cancerceller att begå självmord.
Design av nanostrukturer för kontrollerad cytotoxicitet
Att bara injicera denna specifika nanostruktur av TRAIL-peptider skulle dock inte vara någon bra terapi. DR5 uttrycks i många celler och det aktiva mönstret verkade väldigt cytotoxiskt. Vi behövde ett sätt att aktivera mönstret nära cancerceller, men inaktivera det i övrigt. Min doktorand Yang Wang tog tag i problemet och lösningen var att gömma mönstret i magen på en DNA-nanostruktur, och bara visa upp det i en specifik miljö.
