دانشمندان دانشگاه اشتوتگارت (Stuttgart) با موفقیت از فناوری “اوریگامی DNA” برای کنترل ساختار و عملکرد غشاهای بیولوژیکی استفاده کردند. این سیستم نوآورانه می‌تواند امکان انتقال مؤثر مولکول‌های درمانی بزرگ به داخل سلول‌ها را فراهم کند و راه را برای دارورسانی دقیق‌تر و مداخلات درمانی پیشرفته هموار سازد. این دستاورد مهم ابزاری قدرتمند به حوزه زیست‌شناسی سنتزی اضافه می‌کند. این پژوهش به سرپرستی پروفسور لورا نا لیو (Laura Na Liu) انجام شد و در مجله Nature Materials منتشر گردید.
شکل و ساختار سلول‌ها برای عملکرد بیولوژیکی آن‌ها حیاتی است و اصل “شکل تابعی از عملکرد است” که در معماری مدرن رایج است، در اینجا نیز صدق می‌کند. پیاده‌سازی این مفهوم در سلول‌های مصنوعی یکی از چالش‌های بزرگ زیست‌شناسی سنتزی محسوب می‌شود. با این حال، پیشرفت‌های اخیر در نانوفناوری DNA راهکارهای امیدوارکننده‌ای ارائه داده است که امکان طراحی کانال‌های انتقال جدیدی را فراهم می‌کند؛ این کانال‌ها به اندازه‌ای بزرگ هستند که بتوانند پروتئین‌های درمانی را از غشای سلولی عبور دهند.
در این حوزه نوظهور، پروفسور لورا نا لیو، مدیر مؤسسه دوم فیزیک دانشگاه اشتوتگارت و عضو مؤسسه مکس پلانک برای تحقیقات حالت جامد (MPI-FKF)، ابزاری نوین برای کنترل شکل و نفوذپذیری غشاهای لیپیدی در سلول‌های مصنوعی طراحی کرده است. این غشاها که از دوسویۀ لیپیدی تشکیل شده‌اند، یک محفظه آبی را در بر می‌گیرند و به عنوان مدل‌های ساده‌شده‌ای از غشاهای بیولوژیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این سیستم‌ها برای مطالعه دینامیک غشاها، تعاملات پروتئین‌ها و رفتار لیپیدها کاربرد دارند.
- نقطه عطفی در کاربرد نانوفناوری DNA
این ابزار جدید می‌تواند راه را برای ساخت سلول‌های مصنوعی کاربردی هموار کند. پژوهش‌های علمی پروفسور لورا نا لیو با هدف تأثیرگذاری چشمگیر بر تحقیق و توسعه درمان‌های نوین انجام شده است. لیو و تیمش موفق شده‌اند از نانو‌ربات‌های DNA وابسته به سیگنال استفاده کنند که امکان تعاملات برنامه‌پذیر با سلول‌های مصنوعی را فراهم می‌آورند. این دستاورد نه تنها پیشرفت بزرگی در حوزه نانوفناوری DNA به شمار می‌آید، بلکه افق‌های جدیدی در زمینه مهندسی سلولی و درمان‌های هدفمند نیز می‌گشاید. پروفسور لورا نا لیو می‌گوید: «این پژوهش نقطه عطفی در به‌کارگیری نانوفناوری DNA برای کنترل رفتار سلول‌ها محسوب می‌شود.»
تیم تحقیقاتی او با وزیکول‌های غول‌پیکر تک‌لایه‌ای (GUVs) کار می‌کند که ساختارهای ساده‌ای در ابعاد سلول هستند و عملکرد سلول‌های زنده را شبیه‌سازی می‌کنند. این وزیکول‌ها به عنوان مدل‌های ایده‌آل برای مطالعه دینامیک غشاها و برهم‌کنش‌های سلولی شناخته می‌شوند.
محققان با استفاده از نانو‌ربات‌های DNA توانستند شکل و عملکرد این سلول‌های مصنوعی را تحت تأثیر قرار دهند و راه را برای توسعه سیستم‌های زیستی برنامه‌پذیر هموار کنند. این موفقیت گامی بزرگ در جهت درک بهتر تعاملات سلولی و ایجاد درمان‌های هدفمند به شمار می‌آید.
- کانال‌های جدید انتقال برای پروتئین‌ها و آنزیم‌ها
نانوفناوری DNA یکی از حوزه‌های اصلی پژوهش پروفسور لورا نا لیو است. او متخصص در طراحی سازه‌های اوریگامی DNA است — رشته‌های DNA که به کمک توالی‌های کوتاه‌تر و خاصی به نام “گیره‌های staples) DNA)” تا زده و شکل‌دهی می‌شوند.
تیم تحقیقاتی لیو از این سازه‌های اوریگامی DNA به‌عنوان نانو‌ربات‌های قابل پیکربندی مجدد استفاده کرد که می‌توانند به طور برگشت‌پذیر شکل خود را تغییر دهند و محیط اطرافشان را در مقیاس میکرومتر تحت تأثیر قرار دهند.
محققان دریافتند که تغییر شکل این نانو‌ربات‌های DNA می‌تواند با دگرگونی وزیکول‌های غول‌پیکر تک‌لایه‌ای و شکل‌گیری کانال‌های مصنوعی در غشای آن‌ها همراه شود. این کانال‌ها اجازه می‌دهند مولکول‌های بزرگ مانند پروتئین‌ها و آنزیم‌ها از غشا عبور کنند. نکته جالب این است که این کانال‌ها در صورت نیاز می‌توانند دوباره بسته شوند و در نتیجه امکان کنترل دقیق تبادلات مولکولی فراهم می‌شود.
- ساختارهای کاملاً مصنوعی DNA برای محیط‌های زیستی
پروفسور استفان نوسبرگر (Stephan Nussberger)، یکی از نویسندگان این پژوهش، می‌گوید: «این بدان معناست که می‌توانیم از نانو‌ربات‌های DNA برای طراحی شکل و پیکربندی وزیکول‌های غول‌پیکر تک‌لایه‌ای (GUVs) استفاده کنیم و امکان شکل‌گیری کانال‌های انتقال در غشای آن‌ها را فراهم سازیم.» او در ادامه اضافه می‌کند: «نکته هیجان‌انگیز این است که مکانیسم عملکردی نانو‌ربات‌های DNA روی GUVها هیچ معادل مستقیمی در سلول‌های زنده ندارد. این یک گام کاملاً نوآورانه در مهندسی زیستی است.»
این دستاورد جدید سؤالات تازه‌ای را مطرح می‌کند:
– آیا ساختارهای مصنوعی می‌توانند ساده‌تر و مؤثرتر باشند؟
– آیا می‌توان پلتفرم‌های مصنوعی مانند نانو‌ربات‌های DNA را با پیچیدگی کمتر نسبت به همتایان زیستی آن‌ها طراحی کرد، در حالی که همچنان در محیط‌های زیستی به‌خوبی عمل کنند؟
– آیا این نانو‌ربات‌های ساده‌شده می‌توانند جایگزین مؤثری برای سیستم‌های پیچیده سلولی شوند و در فرآیندهای درمانی یا دارورسانی به کار گرفته شوند؟
- درک مکانیزم‌های بیماری و بهبود درمان‌ها
این مطالعه جدید گامی مهم در راستای پیشرفت درمان‌های پزشکی و درک عمیق‌تر از عملکرد سلول‌ها به شمار می‌آید. سیستم کانال‌های عبوردهنده از غشا که توسط نانو‌ربات‌های DNA ایجاد شده است، امکان عبور مؤثر مولکول‌ها و ترکیبات خاص به داخل سلول‌ها را فراهم می‌کند.
نکته قابل توجه این است که این کانال‌ها نه تنها اندازه بزرگی دارند که اجازه عبور پروتئین‌ها و آنزیم‌های درمانی را می‌دهند، بلکه می‌توان آن‌ها را برنامه‌ریزی کرد تا در زمان‌های خاص بسته شوند. زمانی که این سیستم در سلول‌های زنده به کار گرفته می‌شود، می‌تواند انتقال مؤثر پروتئین‌های درمانی یا آنزیم‌ها را به اهداف مشخص درون سلول تسهیل کند. این فناوری راهکارهای نوینی را برای دارورسانی هدفمند و مداخلات درمانی پیشرفته فراهم می‌آورد.
پروفسور هائو یان، یکی از نویسندگان این پژوهش، می‌گوید:
«رویکرد ما امکان‌های جدیدی را برای شبیه‌سازی رفتار سلول‌های زنده فراهم می‌کند. این پیشرفت می‌تواند برای استراتژی‌های درمانی آینده بسیار حیاتی باشد.»
References:
