科学家们设计并合成了具有精确序列和长度的分子链，以有效地保护三维DNA纳米结构在各种生物医学相关条件下免于结构退化。他们展示了这些“肽包被DNA折纸”是如何有潜力被用于提供抗癌药物和蛋白质，成像生物分子，并针对与癌症有关的细胞表面受体。在3月9日出版的《美国国家科学院院刊》上发表的一篇论文描述了他们在生理环境中设计肽来稳定DNA折纸的方法。
类似于日本的折纸艺术，DNA折纸是将长而柔韧的DNA链折叠成所需形状的纳米级(十亿分之一米)，方法是用互补的短DNA链碱基对“缝合”链的不同部分。这些可编程和精确控制的纳米结构可能有利于许多生物医学应用，包括药物和基因的靶向递送到所需的组织或细胞，体内生物过程的成像，以及疾病检测或健康监测的生物传感。然而，要实现这样的应用，就需要解决在复杂的生物液体中保护DNA“折纸”结构的问题，并实现非DNA固有的新功能。
”的限制因素之一在应用DNA折纸纳米的结构和形状的好处是,放置在人体DNA纳米结构很容易被酶消化或退化的应对解决方案组成或pH值的变化,”第一作者解释Shih-Ting (Christine),博士后在柔软的纳米材料和生物组织中心的功能性纳米材料(CFN)在美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室。“在这项研究中，我们合成了一种具有明确分子序列组成和长度的被称为肽的生物相容性分子。我们将八面体形状的DNA“折纸”(origami)——它具有很高的机械稳定性，而且有一个大的开放空间，可以装载小分子抗癌药物等纳米尺度的货物——涂上这些肽。我们的演示表明，在不同的生理条件下，peptoid涂层有效地保护了DNA折纸，并支持在生物医学应用中添加不同的化学功能。”
肽类类似肽，或氨基酸短链。然而，在肽中，侧链(附在分子主链或主链上的化学基团)是附在氮上，而不是附在碳上。此外，由于在脊椎骨中缺少氢键，肽更灵活。这种灵活性可以用来控制肽如何与DNA“折纸”结合。
“我们的目标是做一个简约的涂层,不会批量添加到折纸但同时高效足以提供保护,溶解度,和兼容不同的biofunctions,“说通讯作者奥列格•帮派的领袖CFN软纳米材料和生物组和化学工程教授和哥伦比亚大学的应用物理学和材料科学工程。“如果涂层折纸变得笨重，它的形状，以及它如何与其他生物分子相互作用和容纳其他生物分子和折纸将受到影响，引入各种并发症。”
王和刚在伦敦帝国理工学院的合作者的帮助下，利用劳伦斯伯克利国家实验室(MF)的设施合成了两种保护DNA折纸的peptoid结构:刷型和块状。这两种结构都有一个DNA结合域(与带负电荷的DNA结合的带正电荷的部分)和一个水溶性域(确保DNA被水分子包围的部分，这是稳定所必需的)。刷式架构在这两个域之间交替使用，而块式架构将它们聚集在一起形成不同的“块”。
为了确定哪种类型更能提供保护，科学家们研究了双链(双链)DNA和肽的结合。用荧光染料(与DNA结合)进行的实验表明，一种特殊的刷型结构在高温下最能稳定涂有肽的双链DNA。澳大利亚RMIT大学的一名合作者模拟了分子水平的dna -肽相互作用，以了解其中的原因。
王说:“我们相信这种交替的结构达到了一种平衡，一些碎片位于DNA双螺旋结构的凹槽内提供保护，而其他碎片突出来与水发生良好的相互作用。”“最理想的配置是刷型，有12个dna结合和12个水溶性基团。”
这些研究的指导下,研究小组调查peptoid-coated DNA折纸结构稳定性的几种类型的生理相关条件:在溶液中含有低浓度的带正电的镁(Mg)离子在溶液中含有DNA-specific核酸酶(酶的类型),和在细胞培养中孵化媒体(含核酸酶和镁离子在低浓度)。通常，高mg离子浓度需要通过减少DNA-DNA负电荷的排斥来稳定DNA折叠，但生理液体的浓度要低得多。
在他们的研究中，他们使用了实验技术的组合:琼脂糖凝胶电泳，一种根据电荷和大小来分离DNA片段(或其他大分子)的方法;CFN的透射电镜成像和动态光散射;在布鲁克海文国家同步加速器光源II (nsl -II)的生命科学x射线散射(LiX)束线实时小角度x射线散射。结果表明，在不同的生理条件下，经特殊设计的肽包覆后，折纸的结构保持完整。
在这些实验之后，科学家们与斯坦福大学的Bertozzi小组合作进行了一系列的演示，以探索这种涂有peptoids的折纸技术如何应用于生物医学领域。例如，他们将化疗药物阿霉素装入涂层折纸中。阿霉素是HER2阳性乳腺癌患者常用的药物之一，HER2蛋白(乳腺细胞上的一种受体)的过度表达导致细胞分裂和生长失控。在48小时内，涂层折纸释放的阿霉素比非涂层折纸少，这是通过药物的内在荧光强度来测量的。
王解释说:“最终的目标是能够在药物释放过程中调节释放速率，以控制生物和毒性效应。”
在第二个nanocargo演示中，他们研究了蛋白质是否可以以类似的方式传递。他们在蛋白质消化酶胰蛋白酶的作用下，将一种牛源性蛋白(附在荧光分子上以供观察)封装在涂层折纸中。这个被胰蛋白酶包裹的蛋白质的消化由于DNA折叠本身和肽衣的结合而减少和减慢。
在最后的演示中，他们用曲妥珠单抗功能化了肽包被DNA折纸的表面。更常见的名称是赫赛汀，曲妥珠单抗是一种针对HER2受体的抗体。曲妥珠单抗一旦与这些受体结合，就会阻止癌细胞接受生长所需的化学信号。他们通过在曲妥珠单抗分子的特定位点和肽序列中添加化学基团来实现表面功能化。通过“点击化学反应”，这些基团选择性地反应形成共价键(类似于点击安全带扣)。
在后续的实验中，Wang计划探索组合疗法的潜力，在该疗法中，以曲妥珠单抗功能化的表面靶向her2阳性乳腺癌细胞的肽包被DNA折纸携带阿霉素。
王通过布鲁克海文的技术成熟项目获得了资金，在她作为技术转移办公室于2019年4月主办的第二届创业培训研讨会的参与者所开发的一个项目的基础上进一步发展这项技术。布鲁克海文的知识产权法律小组最近向美国专利商标局提交了一份peptoid设计方法的临时专利申请。
“我们现在正进入转化阶段，利用细胞和可能的整个生物体进行实验，”Gang说。
——文章发布于2020年3月9日
