Создавая структуры из ДНК, ученые могут предотвратить взаимодействие крупных вирусов, таких как коронавирусы и вирусы гриппа, с клетками.
Используя технику, называемую "ДНК-оригами", исследователи создали ловушки, в которые попадают крупные вирусы, такие как SARS-CoV-2, грипп А и Зика, в надежде предотвратить инфицирование ими клеток. В исследовании, опубликованном 18 января в журнале Cell Reports Physical Science, подробно описано, как исследователи использовали ДНК-оригами для конструирования нитей генетического материала в структуры, похожие на Lego, которые образуют ловушку вокруг крупных патогенов. Хотя в исследовании рассматривалась только эффективность связывания структур с вирусами in vitro, эти ловушки могут однажды помочь очистить организм от вирусов.
"Это фантастическая работа", - считает Ашвин Гопинат, инженер-биомеханик из Массачусетского технологического института, который не принимал участия в исследовании. "Это действительно интересный физический подход к захвату вирусов". Соавтор исследования Хендрик Дитц, физик из Мюнхенского технического университета, надеется, что эти вирусные ловушки однажды можно будет использовать для борьбы с любыми вирусами. "Существует более 200 известных вирусов. Только для пяти процентов из них у нас есть реальные препараты, которые можно использовать для лечения острой инфекции", - говорит он.
ДНК - очень гибкая и модульная структура, а это значит, что при правильном подборе последовательностей ученые могут использовать ее для создания огромного количества структур различных форм и размеров. Термин "ДНК-оригами" был впервые предложен более десяти лет назад для описания метода формирования трехмерных фигур с помощью ДНК, а в последнее время он используется для разработки методов захвата вирусов с помощью оболочек, покрытых антителами, до того, как они достигнут клеток хозяина. В предыдущей работе Дитц и его коллеги использовали технику ДНК-оригами для создания структур, способных обволакивать небольшие вирусные частицы диаметром менее 85 нм, не позволяя им внедрять свою ДНК в организм хозяина. Но поскольку многие распространенные и разрушительные вирусы, такие как грипп А, Зика и коронавирусы, имеют диаметр более 100 нм и бывают разных форм, от арахисовидных до нитевидных, Дитц говорит, что он и его команда хотели попытаться сделать эти ловушки более крупными и модульными.
Для создания вирусных ловушек команда начала с одноцепочечной молекулы ДНК, которая была синтезирована или получена из бактериофага. Они смешали эту ДНК с более короткими синтетическими нитями ДНК, предназначенными для присоединения к определенным последовательностям одноцепочечной ДНК. Более короткие нити давали указания большой молекуле скручиваться и складываться, заставляя ее сохранять желаемую форму.
Используя ДНК-оригами, авторы сконструировали двухмерные строительные блоки в форме треугольников, которые соединяются друг с другом, край в край, как кусочки головоломки. Затем, используя криоэлектронную микроскопию (криоЭМ), исследователи убедились, что треугольники собираются в конусообразные многогранные оболочки. Затем они покрыли внутреннюю часть каждой оболочки антителами. Эти оболочки могут соединяться вокруг вирусов, обволакивая вирусную частицу диаметром более 100 нм, что теоретически может отгородить вирус от клетки потенциального хозяина и предотвратить инфицирование, хотя исследователи не проводили клинических испытаний. Важно отметить, что оболочки также могут быть покрыты другими веществами, связывающими вирусы. В данном случае исследователи использовали сульфат гепарина - вещество, которое прилипает к оболочкам многих вирусных белков.
Исследователи создали строительные блоки треугольной формы из ДНК. Эти строительные блоки могут (1) объединяться, образуя конусообразные оболочки. После стабилизации (2) этих оболочек для поддержания физиологических параметров, исследователи показали, что они могут задерживать крупные вирусы (3), включая SARS-CoV-2 и грипп. Иллюстрация: Cell Reports Physical Science.
Исследователи проверили способность конусов собираться вокруг четырех вирусов - гриппа А, Зика, чикунгунья и SARS-CoV-2, смешивая их с вирусоподобными частицами - маленькими частицами, содержащими белки внешней белковой оболочки вируса. С помощью криоЭМ они подтвердили, что оболочки, каждая из которых была покрыта либо сульфатом гепарина, либо антителами, специфичными для одного из вирусов, эффективно связались со всеми вирусами.
Одним из препятствий в процессе сборки было то, что оболочки, собранные в растворах с высокой соленостью, распадались в физиологических условиях, особенно при воздействии низкой солености. Поэтому, чтобы еще больше стабилизировать собранные оболочки, исследователи использовали ультрафиолетовый свет для укрепления связей между строительными блоками, что предотвратило разрушение оболочек при относительно низкой концентрации солей, присутствующей в организме. Они также покрыли собранные структуры полимерным покрытием на основе олигозина, что предотвратило их деградацию нуклеазами. В целом, процесс оказался быстрее и эффективнее, чем существующие методы захвата вирусов на основе ДНК-оригами, в которых используется несколько типов строительных блоков, говорит Дитц.
По словам Дитца, ловушки ДНК-оригами могут быть лучше антител, которые часто используются для лечения вирусных инфекций, потому что "наши оболочки не накапливают мутации со временем", - объясняет он, добавляя, что оболочки также могут быть покрыты более универсальным веществом, нацеленным на вирусы, например, сульфатом гепарина, что, возможно, полностью устранит необходимость в антителах.
"С технической точки зрения это действительно грандиозная работа", - говорит Гопинат, но добавляет, что пока неясно, нужны ли такие сложные структуры для эффективного захвата крупных вирусов. По его словам, более простые методы, использующие меньшее количество субъединиц или молекул, могут быть столь же эффективными. Он также добавляет, что хотя подобные методы, как было установлено, не вызывают иммунного ответа, добавление такого большого количества этих молекул в организм потенциально может вызвать проблемы. В любом случае, "следующим шагом будут эксперименты in vivo на мышах", - говорит он.
