Χρησιμοποιώντας το DNA στην παραγωγή φαρμάκων!

Το DNA έχει μια σημαντική δουλειά – λέει στα κύτταρά ποιες πρωτεΐνες πρέπει να παράγουν. Τώρα, Αμερικανοί ερευνητές έχουν αναπτύξει μία τεχνολογία και προγραμματίζουν κομμάτια του DNA σε διακόπτες που ενεργοποιούν και απενεργοποιούν πρωτεΐνες!

Η τεχνολογία θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων θεραπειών καρκίνου και άλλων φαρμάκων. Οι επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Delaware των ΗΠΑ περιγράφουν την τεχνολογία τους στο περιοδικό Nature Chemistry (https://www.nature.com/articles/s41557-018-0016-9).

Το όλο έργο αυτό ανήκει σε ένα αναδυόμενο πεδίο της επιστήμης γνωστό ως DNA computing. Τα δεδομένα που συνήθως στέλνουμε και λαμβάνουμε στην καθημερινή ζωή, όπως μηνύματα κειμένου και φωτογραφίες, χρησιμοποιούν δυαδικό κώδικα, ο οποίος έχει δύο συνιστώσες – άσους (1) και μηδενικά (0).

Από την άλλη, το DNA είναι ουσιαστικά ένας κώδικας με 4 συστατικά, τα νουκλεοτίδια: γουανίνη, αδενίνη, κυτοσίνη και θυμίνη. Στα κύτταρα, η διάταξη αυτών των τεσσάρων νουκλεοτιδίων καθορίζει τις πρωτεΐνες που παράγονται από το DNA. Στην περίπτωσή μας, οι επιστήμονες επαναπροσδιόρισαν τον κώδικα DNA για να σχεδιάσουν λογικά κυκλώματα DNA.

«Αφού σχεδιάσαμε το σύστημα, έπρεπε πρώτα να πάμε στο εργαστήριο και να συνδέσουμε αυτές τα κομμάτια του DNA με διάφορες πρωτεΐνες που θέλαμε να είμαστε σε θέση να ελέγξουμε», δήλωσε η συγγραφέας της μελέτης Rebecca P. Chen, διδακτορική φοιτήτρια στη χημική και βιομοριακή μηχανική.

Τα ειδικά σχεδιασμένα κομμάτια DΝΑ σχεδιάστηκαν με βάση τις απαιτήσεις, που καθορίστηκαν από έναν κατασκευαστή, ενώ οι πρωτεΐνες κατασκευάστηκαν και καθαρίστηκαν στο εργαστήριο. Στη συνέχεια, η πρωτεΐνη προσκολλήθηκε στο DΝΑ για να παρασκευάσει προϊόντα συζεύξεως πρωτεΐνης DΝΑ.

Στη συνέχεια η ομάδα εξέτασε τα κυκλώματα DNA σε βακτήρια Ε. Coli και ανθρώπινα κύτταρα. Οι στοχευμένες πρωτεΐνες οργανώνονται, συναρμολογούνται και αποσυναρμολογούνται σύμφωνα με τον αρχικό σχεδιασμό τους.

«Προηγούμενη έρευνα έχει δείξει πόσο ισχυρή θα μπορούσε να είναι η νανοτεχνολογία DNA και γνωρίζουμε πόσο ισχυρές πρωτεΐνες βρίσκονται μέσα στα κύτταρα. Εμείς καταφέραμε να συνδέσουμε αυτά τα δύο μαζί», δήλωσε η Chen.

Η ομάδα απέδειξε επίσης ότι οι συσκευές λογικής DΝΑ που έφτιαξαν θα μπορούσαν να ενεργοποιήσουν ένα μη τοξικό καρκινικό προφάρμακο (5-φθοριοκυτοσίνη), στην τοξική χημειοθεραπευτική του μορφή (5-φθοριοουρακίλη- 5-FU). Αυτή ανήκει στην κατηγορία των φαρμάκων αποκαλούμενων ως αντιμεταβολίτες. Οι αντιμεταβολίτες είναι ουσίες παρόμοιες με φυσιολογικές ουσίες του κυττάρου, μόνο που δεν είναι λειτουργικές. Όταν τα κύτταρα επομένως ενσωματώσουν τις ουσίες αυτές στις λειτουργίες τους, δεν μπορούν να διαιρεθούν και επομένως πεθαίνουν.

Τα καρκινικά προφάρμακα είναι ανενεργά έως ότου μεταβολιστούν στη θεραπευτική τους μορφή. Στην περίπτωση αυτή, οι επιστήμονες σχεδίασαν κυκλώματα DNA που ελέγχουν τη δραστηριότητα μιας πρωτεΐνης που ήταν υπεύθυνη για τη μετατροπή του προφαρμάκου στην ενεργή μορφή του. Το κύκλωμα DΝΑ και η δραστικότητα της πρωτεΐνης ενεργοποιήθηκαν με “ειδικές” εισόδους αλληλουχιών RNA / DNA, ενώ απουσία των εν λόγω εισόδων το σύστημα παρέμεινε κλειστό.

Αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να έχει ευρείες εφαρμογές όχι μόνο σε άλλες ασθένειες εκτός από τον καρκίνο, αλλά και πέραν του βιοϊατρικού τομέα. Για παράδειγμα, η ερευνητική ομάδα απέδειξε ότι η τεχνολογία τους θα μπορούσε να εφαρμοστεί στην παραγωγή βιοκαυσίμων, χρησιμοποιώντας την τεχνολογία τους για να καθοδηγήσουν μια σειρά χημικών αντιδράσεων, για να διασπάσουν μια φυτική ίνα.

Χρησιμοποιώντας την αναπτυχθείσα τεχνολογία, οι ερευνητές θα μπορούσαν να στοχεύσουν σε οποιαδήποτε ακολουθία DNA της επιλογής τους και να προσκολλήσουν και να ελέγξουν οποιαδήποτε πρωτεΐνη θέλουν. Κάποια μέρα, οι ερευνητές θα μπορούσαν να «ανοιγοκλείνουν» προγραμματισμένο DNA σε διάφορα κύτταρα για να αντιμετωπίσουν μια ποικιλία ασθενειών!