Помощь ДНК-нанотехнологий в разработке вакцин

Революционный инструмент позволит быстро реагировать на будущие пандемии.

Новый инструмент ускоряет разработку вакцин и других фармацевтических продуктов более чем в миллион раз при минимальных затратах.

В поисках фармацевтических агентов, таких как новые вакцины, промышленность будет регулярно сканировать тысячи родственных молекул-кандидатов. Новая технология позволяет это делать в наномасштабе, сводя к минимуму использование материалов и энергии. Работа опубликована в престижном журнале Nature Chemistry.

Более 40 000 различных молекул могут быть синтезированы и проанализированы на площади меньше булавочной головки. Этот метод, разработанный благодаря междисциплинарным исследованиям в Дании, обещает резко сократить количество материалов, энергии и экономических затрат для фармацевтических компаний.

Метод работает с использованием мыльных пузырей в качестве наноконтейнеров. Благодаря нанотехнологии ДНК в контейнерах можно смешивать несколько ингредиентов.

«Объемы настолько малы, что использование материала можно сравнить с использованием одного литра воды и одного килограмма материала вместо всех объемов воды во всех океанах для испытания материала, соответствующего всей массе горы Эверест. Это беспрецедентная экономия усилий, материалов, рабочей силы и энергии», — иллюстрирует руководитель группы Никос Хацакис, доцент кафедры химии Копенгагенского университета.

Новый инструмент ускоряет разработку вакцин и других фармацевтических продуктов более чем в миллион раз при минимальных затратах. Метод работает с использованием мыльных пузырей в качестве наноконтейнеров. Благодаря нанотехнологии ДНК в контейнерах можно смешивать несколько ингредиентов. Фото: Никос Хацакис, Копенгагенский университет.

«Экономия бесконечного количества времени, энергии и рабочей силы будет иметь фундаментальное значение для любой разработки синтеза и оценки фармацевтических препаратов», — говорит аспирант Метте Г. Малле, ведущий автор статьи и в настоящее время научный сотрудник Гарвардского университета, США.

Результаты всего за семь минут

Работа была проведена в сотрудничестве между Hatzakis Group, Университет Копенгагена, и доцентом Стефаном Фогелем, Университет Южной Дании. Проект был поддержан грантом Центра передового опыта Фонда Виллум. Полученное решение получило название «слияние комбинаторных липидных наноконтейнеров из одной частицы, основанное на слиянии, опосредованном ДНК» — сокращенно SPARCLD.

Прорыв включает в себя интеграцию элементов из обычно довольно далеких дисциплин: синтетической биохимии, нанотехнологий, синтеза ДНК, комбинированной химии и даже машинного обучения, которое является дисциплиной ИИ (искусственного интеллекта).

«Ни один элемент в нашем решении не является абсолютно новым, но никогда еще они не сочетались так органично», — объясняет Никос Хацакис.

Метод дает результаты всего за семь минут.

Метод работает с использованием мыльных пузырей в качестве наноконтейнеров. Благодаря нанотехнологии ДНК в контейнерах можно смешивать несколько ингредиентов. Фото: Никос Хацакис, Копенгагенский университет.

«То, что у нас есть, очень близко к прямому чтению. Это означает, что можно постоянно модерировать настройку на основе показаний, добавляя значительную дополнительную ценность. Мы ожидаем, что это станет ключевым фактором для промышленности, желающей внедрить решение», — говорит Метте Г. Малле.

Приходилось держать все в тайне

Отдельные исследователи в проекте сотрудничают с несколькими отраслевыми компаниями, но они не знают, какие компании могут захотеть внедрить новый высокопроизводительный метод.

«Нам приходилось держать все в секрете, так как мы не хотели рисковать тем, что другие опубликуют что-то подобное до нас. Таким образом, мы не могли вести переговоры с промышленностью или с другими исследователями, которые могут использовать метод в различных приложениях», — говорит Никос Хацакис.

Тем не менее, он может назвать некоторые возможные приложения:

• «Можно было бы сделать ставку на то, что как промышленные, так и академические группы, занимающиеся синтезом длинных молекул, таких как полимеры, могут быть одними из первых, кто примет этот метод. То же самое касается лигандов, имеющих отношение к фармацевтическим разработкам. Особая прелесть метода в том, что его можно дополнительно интегрировать, что позволяет напрямую добавлять соответствующее приложение».
• Здесь примерами могут быть строки РНК для важного биотехнологического инструмента CRISPR или альтернатива для скрининга, обнаружения и синтеза РНК для будущих пандемических вакцин.
• «Наша установка позволяет интегрировать SPARCLD с посткомбинаторным считыванием комбинаций реакций белок-лиганд, таких как те, которые подходят для использования в CRISPR. Только мы пока не смогли решить эту проблему, так как хотели сначала опубликовать нашу методологию».

Технология

Метод SPARCLD (комбинаторное слияние липидных наноконтейнеров с одной частицей, основанное на ДНК-опосредованном слиянии) представляет собой распараллеленное, многоэтапное и недетерминированное слияние отдельных зептолитровых наноконтейнеров. Исследовательская группа наблюдала эффективные (более 93 %) слитые последовательности без утечек для массивов связанных с поверхностью целевых липосом с шестью свободно диффундирующими популяциями грузовых липосом, каждая из которых функционализирована отдельной лапидированной ДНК (LiNA) и флуоресцентным штрих-кодом с различным соотношением хромофоров.

Стохастическое слияние приводит к четким перестановкам последовательностей слияния для каждого автономного наноконтейнера. Микроскопия полного внутреннего отражения (TIRF) в режиме реального времени позволила непосредственно наблюдать за более чем 16 000 слияний и точно классифицировать 566 различных последовательностей слияний с помощью машинного обучения.

Источник

Метки: Нанотехнологии