Anéis de nanotubos de DNA:equipe de pesquisa desenvolve importante bloco de construção para células artificiais

StarPEG-(KA7)₄ agrupa nanotubos de DNA. uma ilustração esquemática de nanotubos de DNA formados a partir de blocos de DNA de duplo cruzamento. b Ilustração esquemática da estrela tetravalente PEG-(xA7)₄ composto por quatro ramos de 7 repetições de lisina ou aspartato-alanina. c Ilustração esquemática de nanotubos de DNA na ausência e presença de diferentes construções peptídicas sintéticas. d Imagens confocal de nanotubos de DNA (blocos de DNA de 30 nM, rotulados com Atto633, λ _{e x} = 640 nm) sem nenhum peptídeo; com peptídeo KA7 monovalente carregado positivamente 2 μM; com estrela tetravalente tetravalente de 500 nM de carga negativa-(DA7)₄ composto por quatro ramos de 7 repetições de aspartato-alanina e com 500 nM estrela tetravalente carregada positivamente PEG-(KA7)₄ composto por quatro ramos de 7 repetições de lisina-alanina (da esquerda para a direita). Crédito:Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46339-z

Durante a divisão celular, um anel se forma ao redor do equador celular, que se contrai para dividir a célula em duas células-filhas. Juntamente com investigadores de Heidelberg, Dresden, Tübingen e Harvard, o professor Jan Kierfeld e Lukas Weise do Departamento de Física da TU Dortmund University conseguiram pela primeira vez sintetizar um anel contráctil com a ajuda da nanotecnologia de ADN e descobrir o seu mecanismo de contracção. . Os resultados foram publicados na Nature Communications .

Na biologia sintética, os pesquisadores tentam recriar mecanismos cruciais da vida in vitro, como a divisão celular. O objetivo é ser capaz de sintetizar células mínimas. A equipe de pesquisa liderada pela professora Kerstin Göpfrich, da Universidade de Heidelberg, reproduziu agora sinteticamente anéis contráteis para divisão celular usando anéis poliméricos compostos de nanotubos de DNA.

A formação de um anel que contrai e separa as células em divisão é um passo importante na divisão celular natural. Na natureza, isto é conseguido por uma maquinaria de proteínas:proteínas motoras alimentadas pela energia química da hidrólise do ATP unem um anel de filamentos da proteína actina. O trifosfato de adenosina, ou ATP, é uma molécula que ocorre em todas as células vivas e fornece energia para vários processos celulares.

O mecanismo de contração dos anéis de DNA desenvolvido pelos pesquisadores não depende mais de proteínas motoras alimentadas pela hidrólise de ATP. Em vez disso, a atração molecular entre os segmentos do anel pode desencadear a contração dos anéis poliméricos.

Esta atração molecular pode ser induzida de duas maneiras:ou pela reticulação de moléculas com duas extremidades "pegajosas" que podem conectar dois segmentos poliméricos, ou por meio da interação de depleção, onde os polímeros são cercados por moléculas "aglomerantes" que pressionam os segmentos juntos. . Este mecanismo não consome energia química, o que significa que nenhuma fonte de energia precisa ser incorporada na célula sintética para que o mecanismo funcione.

O professor Jan Kierfeld, professor de física teórica, e o pesquisador de doutorado Lukas Weise estão trabalhando na área de física biológica. Como parte do seu trabalho de investigação, desenvolveram uma descrição teórica e uma simulação de dinâmica molecular do mecanismo de contracção, que correspondem aos resultados experimentais dos seus parceiros de investigação.

Para este fim, eles desenvolveram métodos especiais para simular os anéis de DNA numa escala realista. A teoria e a simulação permitem explicar quantitativamente como os anéis poliméricos se formam e se contraem.

"Isto significa que somos capazes não só de prever que um aumento da concentração de moléculas 'crowder' tornará o anel mais pequeno, mas também quanto mais pequeno", diz o professor Kierfeld. Desta forma, é possível determinar como o diâmetro do anel de DNA pode ser controlado com precisão, o que é altamente significativo para futuras aplicações de anéis contráteis em biologia sintética.

Os mecanismos de divisão celular são um passo importante em direção a uma célula artificial, cuja construção facilita uma melhor compreensão dos mecanismos funcionais das células naturais e, portanto, dos fundamentos da vida.

Mais informações: Maja Illig et al, Contração desencadeada de anéis de nanotubos de DNA em escala micrométrica automontados, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46339-z
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela TU Dortmund University

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