p Os cientistas projetaram e sintetizaram cadeias de moléculas com uma sequência e comprimento precisos para proteger com eficiência as nanoestruturas de DNA 3-D da degradação estrutural sob uma variedade de condições biomédicamente relevantes. Eles demonstraram como esses "origami de DNA revestido de peptóide" têm o potencial de ser usados ​​para a entrega de drogas e proteínas anticâncer, moléculas biológicas de imagem, e direcionar os receptores da superfície celular implicados no câncer. Seu método para projetar peptóides para estabilizar origami de DNA em ambientes fisiológicos é descrito em um artigo publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences na semana de 9 de março. p Semelhante à arte japonesa de dobrar papel, Origami de DNA é a dobradura de longos, cadeias de DNA flexíveis em formas desejadas em nanoescala (bilionésimos de um metro) por "grampeamento" diferentes partes da cadeia com os pares de bases complementares de fitas curtas de DNA. Essas arquiteturas em nanoescala programáveis ​​e precisamente controladas podem ser benéficas para muitas aplicações biomédicas, incluindo a entrega direcionada de drogas e genes aos tecidos ou células desejados, imagem de processos biológicos dentro do corpo, e biossensorização para detecção de doenças ou monitoramento de saúde. Contudo, habilitar tais aplicações exigirá soluções para proteger estruturas de origami de DNA em fluidos biológicos complexos e habilitar novas funções que não são inerentes ao DNA.

p "Um dos fatores limitantes na aplicação dos benefícios de estrutura e forma do origami de DNA à nanomedicina é que, colocado dentro do corpo humano, a nanoestrutura de DNA seria facilmente digerida por enzimas ou degradada em resposta a mudanças na composição da solução ou nível de pH, "explicou o primeiro autor Shih-Ting (Christine) Wang, um pós-doutorado no Soft and Bio Nanomaterials Group do Center for Functional Nanomaterials (CFN) no Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE). "Nesta pesquisa, sintetizamos moléculas biocompatíveis chamadas peptóides com uma composição e comprimento de sequência molecular bem definidos. Revestimos origami de DNA em forma de octaédrica - que tem alta estabilidade mecânica e um grande espaço aberto para transportar cargas em nanoescala, como drogas anticâncer de pequenas moléculas - com esses peptóides. Nossas demonstrações mostraram que os revestimentos de peptóide protegeram eficientemente o origami de DNA em várias condições fisiológicas e apoiaram a adição de diferentes funcionalidades químicas para aplicações biomédicas. "

p Peptoides se assemelham a peptídeos, ou cadeias curtas de aminoácidos. Contudo, em peptoides, as cadeias laterais (grupos químicos ligados à cadeia principal ou espinha dorsal da molécula) estão ligadas ao nitrogênio em vez de ao carbono. Além disso, peptoides são mais flexíveis, devido à falta de ligações de hidrogênio no backbone. Essa flexibilidade pode ser aproveitada para controlar como os peptóides se ligam ao origami de DNA.

p "Nosso objetivo era fazer um revestimento minimalista que não adicionasse volume ao origami, mas ao mesmo tempo fosse eficiente o suficiente para oferecer proteção, solubilidade, e compatibilidade com diferentes biofunções, "disse o autor correspondente Oleg Gang, líder do CFN Soft and Bio Nanomaterials Group e professor de engenharia química e de física aplicada e ciência dos materiais na Columbia Engineering. "Se o origami revestido ficar volumoso, sua forma e como ele interage com e acomoda outras biomoléculas e origami seriam afetados, introduzindo uma variedade de complicações. "

p Wang e Gang, assistido por um colaborador do Imperial College London, usaram as instalações do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley Molecular Foundry (MF) para sintetizar dois tipos de arquiteturas peptóides para a proteção de origami de DNA:tipo de escova e tipo de bloco. Ambas as arquiteturas têm um domínio de ligação ao DNA (parte com carga positiva que se liga ao DNA com carga negativa) e um domínio solúvel em água (parte que garante que o DNA está rodeado por moléculas de água, necessários para a estabilização). A arquitetura tipo pincel alterna entre esses dois domínios, enquanto a arquitetura do tipo bloco os agrupa para formar "blocos" distintos.

p Para determinar qual tipo era melhor em fornecer proteção, os cientistas estudaram a ligação entre o DNA de duas fitas (duplex) e os peptóides. Experimentos com corante fluorescente (que se liga ao DNA) mostraram que uma arquitetura tipo escova específica foi mais eficiente na estabilização do DNA duplex revestido com peptóides em alta temperatura. Um colaborador da RMIT University na Austrália simulou as interações DNA-peptóide em nível molecular para entender o porquê.

p “Acreditamos que a estrutura alternada atinge o equilíbrio, em que algumas peças ficam dentro da ranhura da estrutura de dupla hélice do DNA para conferir proteção, enquanto outras peças se destacam para interagir favoravelmente com a água, "disse Wang." Uma configuração ótima é o tipo de escova com 12 grupos de ligação ao DNA e 12 solúveis em água. "

p Guiado por esses estudos, a equipe investigou a estabilidade estrutural do origami de DNA revestido de peptóide em vários tipos de condições fisiologicamente relevantes:em uma solução contendo uma baixa concentração de íons de magnésio carregados positivamente (Mg), em uma solução contendo uma nuclease específica de DNA (tipo de enzima), e incubado em meio de cultura de células (contendo nucleases e íons Mg em baixa concentração). Tipicamente, uma alta concentração de íons de Mg é necessária para estabilizar o origami de DNA, reduzindo a repulsão de cargas negativas de DNA-DNA, mas os fluidos fisiológicos contêm concentrações muito mais baixas.

p Para suas investigações, eles usaram uma combinação de técnicas experimentais:eletroforese em gel de agarose, um método para separar fragmentos de DNA (ou outras macromoléculas) com base em sua carga e tamanho; imagem de microscopia eletrônica de transmissão e espalhamento dinâmico de luz no CFN; e espalhamento de raios-X de pequeno ângulo em tempo real na linha de luz de espalhamento de raios-X da Life Science (LiX) da fonte de luz síncrotron nacional II de Brookhaven (NSLS-II). Os resultados indicaram que a estrutura do origami permaneceu intacta após ter sido revestido com peptóides especificamente projetados e colocado nas diferentes condições fisiológicas.

p Após esses experimentos, os cientistas conduziram uma série de demonstrações em colaboração com o Grupo Bertozzi da Universidade de Stanford para explorar como o origami revestido de peptóide poderia ser usado em aplicações biomédicas. Por exemplo, eles carregaram a droga de quimioterapia doxorrubicina no origami revestido. A doxorrubicina é um dos medicamentos comumente administrados a pacientes com câncer de mama HER2-positivo, em que uma superexpressão da proteína HER2 (um receptor nas células da mama) faz com que as células se dividam e cresçam descontroladamente. Mais de 48 horas, o origami revestido liberou menos doxorrubicina do que sua contraparte não revestida, medida através da intensidade da fluorescência intrínseca da droga.

p "O objetivo final é ser capaz de modular a taxa de liberação durante o processo de administração do medicamento para controlar os efeitos biológicos e tóxicos, "explicou Wang.

p Em uma segunda demonstração do nanocargo, eles investigaram se as proteínas poderiam ser entregues de forma semelhante. Eles encapsularam uma proteína derivada de vaca (ligada a moléculas fluorescentes para visualização) dentro do origami revestido na presença da enzima digestora da proteína tripsina. A digestão desta proteína encapsulada pela tripsina foi reduzida e retardada devido a uma combinação do próprio origami de DNA e o revestimento de peptóide.

p Em uma demonstração final, eles funcionalizaram a superfície do origami de DNA revestido de peptóide com trastuzumabe. Mais conhecido pela marca Herceptin, trastuzumab é um anticorpo que tem como alvo os receptores HER2. Após a ligação a esses receptores, o trastuzumab impede que as células cancerosas recebam os sinais químicos de que precisam para crescer. Eles alcançaram a funcionalização da superfície adicionando grupos químicos a locais específicos na molécula de trastuzumabe e nas sequências peptóides. Por meio da "química do clique, "esses grupos reagem seletivamente para formar ligações covalentes (semelhante a clicar na fivela do cinto de segurança).

p Em experimentos subsequentes, Wang planeja explorar o potencial da terapia combinatória, em que origami de DNA revestido de peptóide carregando doxorrubicina e apresentando uma superfície funcionalizada com trastuzumabe tem como alvo células de câncer de mama HER2-positivas.

p Wang recebeu financiamento por meio do Programa de Maturação de Tecnologia de Brookhaven para desenvolver ainda mais essa tecnologia com base em um argumento que ela desenvolveu como participante do segundo workshop de treinamento em empreendedorismo organizado pelo Escritório de Transferência de Tecnologia de Brookhaven em abril de 2019. O Grupo Jurídico de Propriedade Intelectual de Brookhaven recentemente enviou um pedido provisório de patente para a metodologia de design de peptoide ao US Patent and Trademark Office.

p "Agora estamos entrando no estágio de tradução, conduzindo experimentos usando células e organismos potencialmente inteiros, "disse Gang.