Nano-skulpe van DNA-materiaal, wat aan die binnekant met virusbindende molekules uitgevoer is, bind virusse styf en maak hulle dus onskadelik. Krediet: Elena-Marie Willner / DietzLab / TUM
Tot op datum is daar geen effektiewe teenmiddels teen die meeste virusinfeksies nie. ’n Interdissiplinêre navorsingspan by die Tegniese Universiteit van München (TUM) het nou ’n nuwe benadering ontwikkel: hulle verswelg en neutraliseer virusse met nano-kapsules wat van genetiese materiaal aangepas is deur die DNA-origami-metode te gebruik. Die strategie is reeds getoets teen hepatitis en adeno-geassosieerde virusse in selkulture. Dit kan ook suksesvol wees teen koronavirusse.
Daar is antibiotika teen gevaarlike bakterieë, maar min teenmiddels om akute virusinfeksies te behandel. Sommige infeksies kan deur inenting voorkom word, maar die ontwikkeling van nuwe entstowwe is 'n lang en moeisame proses.
Nou stel 'n interdissiplinêre navorsingspan van die Tegniese Universiteit van München, die Helmholtz Zentrum München en die Brandeis Universiteit (VSA) 'n nuwe strategie voor vir die behandeling van akute virusinfeksies: Die span het nanostrukture ontwikkel wat gemaak is van DNA, die stof wat ons genetiese materiaal op, wat virusse kan vasvang en onskadelik maak.
Vir die DNS-plate om in groter geometriese strukture aanmekaar te sit, moet die rande effens afgeskuins wees. Die korrekte keuse en posisionering van bindingspunte op die rande verseker dat die panele self saamstel tot die verlangde voorwerpe. Die video wys 'n cryo-EM 3D-rekonstruksie van 'n oop nano-dop. Krediet: Christian Sigl / DietzLab / TUM
DNA nanostrukture
Selfs voordat die nuwe variant van die koronavirus die wêreld in die wiele gery het, het Hendrik Dietz, professor in biomolekulêre nanotegnologie aan die Fisika-departement van die Tegniese Universiteit van München, en sy span gewerk aan die konstruksie van virusgrootte voorwerpe wat hulself saamstel.
In 1962 het die bioloog Donald Caspar en die biofisikus Aaron Klug die meetkundige beginsels ontdek waarvolgens die proteïenomhulsels van virusse gebou word. Op grond van hierdie meetkundige spesifikasies het die span rondom Hendrik Dietz by die Tegniese Universiteit van München, ondersteun deur Seth Fraden en Michael Hagan van Brandeis Universiteit in die VSA, 'n konsep ontwikkel wat dit moontlik gemaak het om kunsmatige hol liggame so groot soos 'n virus te produseer.
In die somer van 2019 het die span gevra of sulke hol liggame ook as ’n soort “viruslokval” gebruik kan word. Indien hulle met virusbindende molekules aan die binnekant uitgevoer sou word, behoort hulle virusse styf te kan bind en sodoende uit sirkulasie te kan haal. Hiervoor sal die hol liggame egter ook voldoende groot openinge moet hê waardeur virusse in die skulpe kan inkom.
“Geen van die voorwerpe wat ons destyds met behulp van DNS-origami-tegnologie gebou het, sou ’n hele virus kon verswelg nie – hulle was eenvoudig te klein,” sê Hendrik Dietz in retrospek. "Om stabiele hol liggame van hierdie grootte te bou was 'n groot uitdaging."
'n Interdissiplinêre navorsingspan by die Tegniese Universiteit van München (TUM) het 'n radikaal nuwe antivirale behandeling ontwikkel: hulle verswelg en neutraliseer daardeur virusse met nano-kapsules wat van genetiese materiaal aangepas is. Die strategie is reeds getoets teen hepatitis en adeno-geassosieerde virusse in selkulture. Die beeld wys hoofskrywer Christian Sigl wat die nano-kapsules voorberei in die laboratorium van die Sentrum vir Nanotegnologie en Nanomateriale by TUM. Krediet: Daniel Delang / TUM
Die kit vir 'n virus lokval
Van die basiese geometriese vorm van die ikosaëder, 'n voorwerp wat uit 20 driehoekige oppervlaktes bestaan, het die span besluit om die hol liggame vir die virusval van driedimensionele, driehoekige plate te bou.
Vir die DNS-plate om in groter geometriese strukture aanmekaar te sit, moet die rande effens afgeskuins wees. Die korrekte keuse en posisionering van bindingspunte op die rande verseker dat die panele self saamstel tot die verlangde voorwerpe.
"Op hierdie manier kan ons nou die vorm en grootte van die gewenste voorwerpe programmeer deur die presiese vorm van die driehoekige plate te gebruik," sê Hendrik Dietz. “Ons kan nou voorwerpe met tot 180 subeenhede produseer en opbrengste van tot 95 persent behaal. Die roete daarheen was egter taamlik klipperig, met baie herhalings.”
Virusse word betroubaar geblokkeer
Deur die bindingspunte op die rande van die driehoeke te verander, kan die span se wetenskaplikes nie net geslote hol sfere skep nie, maar ook sfere met openinge of halwe skulpe. Dit kan dan as virusvalle gebruik word.
In samewerking met die span van prof. Ulrike Protzer, hoof van die Instituut vir Virologie by TUM en direkteur van die Instituut vir Virologie by die Helmholtz Zentrum München, het die span die virusvalle op adeno-geassosieerde virusse en hepatitis B-viruskerne getoets.
"Selfs 'n eenvoudige halwe dop van die regte grootte toon 'n meetbare vermindering in virusaktiwiteit," sê Hendrik Dietz. "As ons vyf bindingsplekke vir die virus aan die binnekant plaas, byvoorbeeld geskikte teenliggaampies, kan ons die virus reeds met 80 persent blokkeer, as ons meer inkorporeer, bereik ons volledige blokkering."
Om te verhoed dat die DNS-deeltjies onmiddellik in liggaamsvloeistowwe afgebreek word, het die span die voltooide boublokke met UV-lig bestraal en die buitekant met poliëtileenglikol en oligolisien behandel. Die deeltjies was dus stabiel in muisserum vir 24 uur.
'n Universele konstruksiebeginsel
Nou is die volgende stap om die boustene op lewende muise te toets. "Ons is baie vol vertroue dat hierdie materiaal ook goed deur die menslike liggaam verdra sal word," sê Dietz.
"Bakterieë het 'n metabolisme. Ons kan hulle op verskillende maniere aanval,” sê prof. Ulrike Protzer. “Virus, aan die ander kant, het nie hul eie metabolisme nie, en daarom is antivirale middels byna altyd teen 'n spesifieke ensiem in 'n enkele virus gerig. So 'n ontwikkeling neem tyd. As die idee om virusse bloot meganies uit te skakel, verwesenlik kan word, sal dit wyd toepaslik wees en dus 'n belangrike deurbraak, veral vir nuut-opkomende virusse.
Die beginmateriaal vir die virusvalle kan biotegnologies massavervaardig word teen 'n redelike koste. “Benewens die voorgestelde toepassing as 'n viruslokval, skep ons programmeerbare stelsel ook ander geleenthede,” sê Hendrik Dietz. "Dit sou ook denkbaar wees om dit as 'n multivalente antigeendraer vir inentings te gebruik, as 'n DNA- of RNA-draer vir geenterapie of as 'n vervoermiddel vir dwelms."
Verwysing: "Programmeerbare icosahedral shell system for virus trapping" deur Christian Sigl, Elena M. Willner, Wouter Engelen, Jessica A. Kretzmann, Ken Sachenbacher, Anna Liedl, Fenna Kolbe, Florian Wilsch, S. Ali Aghvami, Ulrike Protzer, Michael F. Hagan, Seth Fraden en Hendrik Dietz, 14 Junie 2021, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-021-01020-4
Die navorsing is befonds deur die Europese Gemeenskap se Horizon 2020 Navorsing- en Innovasieprogram onder die FET-Open-projek VIROFIGHT (toekenning nr. 899619), die Europese Navorsingsraad (ERC) onder 'n Consolidator Grant, die Duitse Navorsingstigting (DFG) deur SFB863 en TRR179, en deur toekennings van die Gottfried Wilhelm Leibniz-program, die Duitse Federale Ministerie van Onderwys en Navorsing (BMBF) deur die StabVacB-projek en die Duitse Sentrum vir Infeksie Navorsing (DZIF), die Nederlandse Organisasie vir Wetenskaplike Navorsing (NWO), die Nasionale Wetenskapstigting van die VSA via die Brandeis University Materials Research Science and Engineering Centre, die National Institute of General Medical Sciences (NIGMS) van die VSA, en die Alexander von Humboldt Foundation (AvH).
