A belülről víruskötő molekulákkal bélelt DNS-anyagból készült nanohéjak szorosan megkötik a vírusokat, és így ártalmatlanná teszik azokat. Köszönetnyilvánítás: Elena-Marie Willner / DietzLab / TUM
A legtöbb vírusfertőzés ellen a mai napig nincs hatékony ellenszer. A Müncheni Műszaki Egyetem (TUM) interdiszciplináris kutatócsoportja most új megközelítést dolgozott ki: genetikai anyagból szabott nanokapszulákkal nyeli el és semlegesíti a vírusokat DNS-origami módszerrel. A stratégiát már tesztelték a hepatitis és az adeno-asszociált vírusok ellen sejttenyészetekben. Sikeresnek bizonyulhat a koronavírusok ellen is.
Vannak antibiotikumok a veszélyes baktériumok ellen, de kevés ellenszer az akut vírusfertőzések kezelésére. Egyes fertőzések megelőzhetők védőoltással, de az új vakcinák kifejlesztése hosszú és fáradságos folyamat.
Most a Müncheni Műszaki Egyetem, a Helmholtz Zentrum München és a Brandeis Egyetem (USA) interdiszciplináris kutatócsoportja új stratégiát javasol az akut vírusfertőzések kezelésére: A csapat DNS-ből, az alkotó anyagból készült nanostruktúrákat fejlesztette ki. felhalmozzuk genetikai anyagunkat, amely befoghatja a vírusokat és ártalmatlanná teheti azokat.
Ahhoz, hogy a DNS-lemezek nagyobb geometriai struktúrákká álljanak össze, az éleknek kissé ferdének kell lenniük. A kötési pontok megfelelő megválasztása és elhelyezése az éleken biztosítja, hogy a panelek önmagukban illeszkedjenek a kívánt objektumokhoz. A videó egy nyitott nanohéj krio-EM 3D rekonstrukcióját mutatja be. Köszönet: Christian Sigl / DietzLab / TUM
DNS nanostruktúrák
Hendrik Dietz, a Müncheni Műszaki Egyetem Fizikai Tanszékének biomolekuláris nanotechnológia professzora és csapata még azelőtt, hogy a koronavírus új változata feltartóztatta volna a világot, olyan vírusméretű objektumok megalkotásán dolgozott, amelyek maguk is összeállnak.
1962-ben Donald Caspar biológus és Aaron Klug biofizikus fedezte fel azokat a geometriai elveket, amelyek szerint a vírusok fehérjeburkát építik fel. Ezen geometriai specifikációk alapján a Müncheni Műszaki Egyetem Hendrik Dietz körüli csapata, Seth Fraden és Michael Hagan, az amerikai Brandeis Egyetem munkatársa támogatásával olyan koncepciót dolgozott ki, amely lehetővé tette egy vírus méretű mesterséges üreges testek előállítását.
2019 nyarán a csapat azt kérdezte, hogy az ilyen üreges testek használhatók-e egyfajta „víruscsapdaként” is. Ha belül víruskötő molekulákkal bélelnék ki őket, akkor szorosan meg kell tudni kötni a vírusokat, és így ki kell vonni őket a forgalomból. Ehhez azonban az üreges testeknek is kellően nagy nyílásokkal kell rendelkezniük, amelyeken keresztül a vírusok bejuthatnak a héjakba.
„A DNS origami technológiával épített objektumok egyike sem tudott volna elnyelni egy egész vírust – egyszerűen túl kicsik voltak” – mondja utólag Hendrik Dietz. „Ilyen méretű stabil üreges testek felépítése óriási kihívás volt.”
A Müncheni Műszaki Egyetem (TUM) interdiszciplináris kutatócsoportja radikálisan új vírusellenes kezelést fejlesztett ki: genetikai anyagból szabott nanokapszulákkal bekebelezik és ezáltal semlegesítik a vírusokat. A stratégiát már tesztelték a hepatitis és az adeno-asszociált vírusok ellen sejttenyészetekben. A képen Christian Sigl vezető szerző látható, amint a nano-kapszulákat a TUM Nanotechnológiai és Nanoanyag-központjának laboratóriumában készíti elő. Köszönetnyilvánítás: Daniel Delang / TUM
A készlet víruscsapdához
A 20 háromszög alakú felületből álló ikozaéder geometriai alapformájából kiindulva a csapat úgy döntött, hogy háromdimenziós, háromszög alakú lemezekből építik meg a víruscsapda üreges testeit.
Ahhoz, hogy a DNS-lemezek nagyobb geometriai struktúrákká álljanak össze, az éleknek kissé ferdének kell lenniük. A kötési pontok megfelelő megválasztása és elhelyezése az éleken biztosítja, hogy a panelek önmagukban illeszkedjenek a kívánt objektumokhoz.
„Ilyen módon most már programozhatjuk a kívánt objektumok alakját és méretét a háromszöglapok pontos alakjával” – mondja Hendrik Dietz. „Mostantól akár 180 alegységből álló objektumokat is gyárthatunk, és akár 95 százalékos hozamot is elérhetünk. Az oda vezető útvonal azonban meglehetősen sziklás volt, sok iterációval.”
A vírusok megbízhatóan blokkolva vannak
A háromszögek szélein lévő kötési pontok változtatásával a csapat tudósai nem csak zárt üreges gömböket tudnak létrehozni, hanem nyílásokkal vagy félhéjjal rendelkező gömböket is. Ezek aztán víruscsapdákként használhatók.
Prof. Ulrike Protzer, a TUM Virológiai Intézetének vezetője és a Helmholtz Zentrum München Virológiai Intézetének igazgatója csapatával együttműködve a csapat tesztelte a víruscsapdákat adeno-asszociált vírusokon és hepatitis B vírusmagon.
"Még egy egyszerű, megfelelő méretű félhéj is mérhető csökkenést mutat a vírusaktivitásban" - mondja Hendrik Dietz. „Ha a belső oldalra helyezünk öt kötőhelyet a vírusnak, például megfelelő antitesteket, már 80 százalékban blokkolhatjuk a vírust, ha többet építünk be, akkor teljes blokkolást érünk el.”
Annak megakadályozása érdekében, hogy a DNS-részecskék azonnal lebomlanak a testnedvekben, a csapat UV-fénnyel sugározta be a kész építőelemeket, a külsejüket pedig polietilénglikollal és oligolizinnel kezelte. A részecskék így 24 órán át stabilak voltak egérszérumban.
Univerzális építési elv
Most a következő lépés az építőelemek tesztelése élő egereken. „Nagyon biztosak vagyunk abban, hogy ezt az anyagot az emberi szervezet is jól tolerálja” – mondja Dietz.
„A baktériumoknak van anyagcseréje. Különféle módon támadhatjuk meg őket” – mondja Prof. Ulrike Protzer. „A vírusoknak viszont nincs saját anyagcseréjük, ezért a vírusellenes szerek szinte mindig egyetlen vírusban egy adott enzim ellen irányulnak. Egy ilyen fejlesztés időbe telik. Ha megvalósítható a vírusok egyszerű mechanikus eltávolításának ötlete, ez széles körben alkalmazható lenne, és így fontos áttörést jelentene, különösen az újonnan megjelenő vírusok esetében.
A víruscsapdák kiindulási anyagai biotechnológiai úton tömegesen előállíthatók, elfogadható áron. „A víruscsapdaként javasolt alkalmazáson kívül programozható rendszerünk más lehetőségeket is teremt” – mondja Hendrik Dietz. "Az is elképzelhető, hogy többértékű antigénhordozóként használják oltásokhoz, DNS- vagy RNS-hordozóként génterápiához, vagy gyógyszerek szállítóeszközeként."
Hivatkozás: 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: „Programozható icosahedral shell system for virus trapping” Hagan, Seth Fraden és Hendrik Dietz, 14. június 2021. Természeti anyagok.
DOI: 10.1038/s41563-021-01020-4
A kutatást az Európai Közösség Horizont 2020 Kutatási és Innovációs Programja a FET-Open projekt VIROFIGHT (899619 sz. támogatása), az Európai Kutatási Tanács (ERC) Consolidator Grant keretében, a Német Kutatási Alapítvány (DFG) az SFB863-on keresztül finanszírozta, ill. TRR179, valamint a Gottfried Wilhelm Leibniz Program, a Német Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium (BMBF) a StabVacB projekten keresztül, valamint a Német Fertőzéskutató Központ (DZIF), a Holland Tudományos Kutatási Szervezet (NWO), a Nemzeti Az USA Tudományos Alapítványa a Brandeis Egyetem Anyagkutatási Tudományos és Mérnöki Központján, az Egyesült Államok Országos Általános Orvostudományi Intézetén (NIGMS) és az Alexander von Humboldt Alapítványon (AvH) keresztül.
