Los científicos han diseñado y sintetizado cadenas de moléculas con una secuencia y longitud precisas para proteger de manera eficiente las nanoestructuras de ADN 3-D de la degradación estructural en una variedad de condiciones biomédicas relevantes. Demostraron cómo estos "origami de ADN recubiertos de peptoides" tienen el potencial de ser utilizados para administrar fármacos y proteínas contra el cáncer. imágenes de moléculas biológicas, y dirigirse a los receptores de la superficie celular implicados en el cáncer. Su método para diseñar peptoides para estabilizar el origami de ADN en entornos fisiológicos se describe en un artículo publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias la semana del 9 de marzo.

Similar al arte japonés del plegado de papel, El origami de ADN es el plegado de largos cadenas de ADN flexibles en las formas deseadas a nanoescala (mil millonésimas de metro) "engrapando" diferentes partes de la cadena con los pares de bases complementarios de hebras cortas de ADN. Estas arquitecturas a nanoescala programables y controladas con precisión podrían ser beneficiosas para muchas aplicaciones biomédicas, incluida la administración dirigida de fármacos y genes a los tejidos o células deseados, imágenes de procesos biológicos dentro del cuerpo, y biosensores para la detección de enfermedades o el control de la salud. Sin embargo, La habilitación de tales aplicaciones requerirá soluciones para proteger las estructuras de origami de ADN en fluidos biológicos complejos y habilitar nuevas funciones que no son inherentes al ADN.

"Uno de los factores limitantes en la aplicación de los beneficios de estructura y forma del origami de ADN a la nanomedicina es que, colocado dentro del cuerpo humano, la nanoestructura del ADN sería fácilmente digerida por enzimas o degradada en respuesta a cambios en la composición de la solución o en el nivel de pH, "explicó el primer autor Shih-Ting (Christine) Wang, un postdoctorado en el Grupo de Nanomateriales Blandos y Bio del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). "En esta investigación, Sintetizamos moléculas biocompatibles llamadas peptoides con una composición y longitud de secuencia molecular bien definidas. Cubrimos origami de ADN con forma octaédrica, que tiene una alta estabilidad mecánica y un gran espacio abierto para transportar cargas a nanoescala, como fármacos anticancerosos de moléculas pequeñas, con estos peptoides. Nuestras demostraciones mostraron que los recubrimientos de peptoides protegieron de manera eficiente el origami del ADN en diversas condiciones fisiológicas y apoyaron la adición de diferentes funcionalidades químicas para aplicaciones biomédicas ".

Los peptoides se parecen a los péptidos, o cadenas cortas de aminoácidos. Sin embargo, en peptoides, las cadenas laterales (grupos químicos unidos a la cadena principal o columna vertebral de la molécula) están unidas al nitrógeno en lugar de al carbono. Es más, los peptoides son más flexibles, debido a la falta de enlaces de hidrógeno en la columna vertebral. Esta flexibilidad se puede aprovechar para controlar cómo los peptoides se unen al origami de ADN.

"Nuestro objetivo era hacer un recubrimiento minimalista que no agregara volumen al origami pero que al mismo tiempo fuera lo suficientemente eficiente como para ofrecer protección, solubilidad, y compatibilidad con diferentes biofunciones, "dijo el autor correspondiente Oleg Gang, líder del CFN Soft and Bio Nanomaterials Group y profesor de ingeniería química y de física aplicada y ciencia de materiales en Columbia Engineering. "Si el origami recubierto se vuelve voluminoso, su forma y cómo interactúa y se adapta a otras biomoléculas y el origami se vería afectado, introduciendo una variedad de complicaciones ".

Wang y Gang, asistido por un colaborador del Imperial College London, utilizó las instalaciones de la Fundición Molecular (MF) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para sintetizar dos tipos de arquitecturas peptoides para la protección del origami de ADN:tipo cepillo y tipo bloque. Ambas arquitecturas tienen un dominio de unión al ADN (parte cargada positivamente que se une al ADN cargado negativamente) y un dominio soluble en agua (parte que asegura que el ADN esté rodeado por moléculas de agua, que son necesarios para la estabilización). La arquitectura de tipo cepillo alterna entre estos dos dominios, mientras que la arquitectura de tipo bloque los agrupa para formar "bloques" distintos.

Para determinar qué tipo era mejor para brindar protección, los científicos estudiaron la unión entre el ADN bicatenario (dúplex) y los peptoides. Los experimentos con tinte fluorescente (que se une al ADN) mostraron que una arquitectura específica tipo cepillo era más eficiente para estabilizar el ADN dúplex recubierto con peptoides a alta temperatura. Un colaborador de la Universidad RMIT en Australia simuló las interacciones ADN-peptoide a nivel molecular para entender por qué.

"Creemos que la estructura alterna logra un equilibrio, en que algunas piezas se asientan dentro del surco de la estructura de doble hélice del ADN para conferir protección, mientras que otras piezas sobresalen para interactuar favorablemente con el agua, ", dijo Wang." Una configuración óptima es el tipo de cepillo con 12 grupos de unión al ADN y 12 solubles en agua ".

Guiados por estos estudios, El equipo investigó la estabilidad estructural del origami de ADN recubierto de peptoides en varios tipos de condiciones fisiológicamente relevantes:en una solución que contiene una baja concentración de iones de magnesio (Mg) cargados positivamente, en una solución que contiene una nucleasa específica de ADN (tipo de enzima), e incubados en medios de cultivo celular (que contienen tanto nucleasas como iones Mg a baja concentración). Típicamente, se requiere una alta concentración de iones de Mg para estabilizar el ADN origami al reducir la repulsión de las cargas negativas de ADN-ADN, pero los fluidos fisiológicos contienen concentraciones mucho más bajas.

Por sus investigaciones, utilizaron una combinación de técnicas experimentales:electroforesis en gel de agarosa, un método para separar fragmentos de ADN (u otras macromoléculas) sobre la base de su carga y tamaño; imágenes de microscopía electrónica de transmisión y dispersión dinámica de luz en el CFN; y dispersión de rayos X de ángulo pequeño en tiempo real en la línea de luz de dispersión de rayos X de ciencias biológicas (LiX) de la fuente de luz sincrotrón nacional II de Brookhaven (NSLS-II). Los resultados indicaron que la estructura del origami había permanecido intacta después de que se recubre con peptoides específicamente diseñados y se coloca en las diferentes condiciones fisiológicas.

Siguiendo estos experimentos, Los científicos llevaron a cabo una serie de demostraciones en colaboración con el Grupo Bertozzi de la Universidad de Stanford para explorar cómo el origami recubierto de peptoides podría usarse en aplicaciones biomédicas. Por ejemplo, cargaron el fármaco de quimioterapia doxorrubicina en el origami recubierto. La doxorrubicina es uno de los fármacos que se administran habitualmente a pacientes con cáncer de mama HER2 positivo. en el que una sobreexpresión de la proteína HER2 (un receptor en las células mamarias) hace que las células se dividan y crezcan sin control. Más de 48 horas, el origami recubierto liberó menos doxorrubicina que su contraparte sin recubrimiento, medido a través de la intensidad de la fluorescencia intrínseca del fármaco.

"El objetivo final es poder modular la velocidad de liberación durante el proceso de administración del fármaco para controlar los efectos biológicos y tóxicos, "explicó Wang.

En una segunda demostración de nanocargo, investigaron si las proteínas se podían suministrar de forma similar. Encapsularon una proteína derivada de la vaca (unida a moléculas fluorescentes para visualización) dentro del origami recubierto en presencia de la enzima que digiere la proteína tripsina. La digestión de esta proteína encapsulada por tripsina se redujo y ralentizó debido a una combinación del ADN origami y el recubrimiento peptoide.

En una demostración final, ellos funcionalizaron la superficie del origami de ADN recubierto de peptoides con trastuzumab. Más comúnmente conocido por la marca Herceptin, trastuzumab es un anticuerpo que se dirige a los receptores HER2. Al unirse a estos receptores, trastuzumab impide que las células cancerosas reciban las señales químicas que necesitan para crecer. Lograron la funcionalización de la superficie agregando grupos químicos a sitios específicos en la molécula de trastuzumab y en las secuencias peptoides. A través de "química de clics, "Estos grupos reaccionan selectivamente para formar enlaces covalentes (similar a hacer clic en la hebilla de un cinturón de seguridad).

En experimentos de seguimiento, Wang planea explorar el potencial de la terapia combinatoria, en el que el origami de ADN recubierto de peptoides que lleva doxorrubicina y presenta una superficie funcionalizada con trastuzumab se dirige a las células de cáncer de mama HER2 positivas.

Wang recibió fondos a través del Programa de Maduración de Tecnología de Brookhaven para desarrollar aún más esta tecnología sobre la base de un discurso que desarrolló como participante en el segundo taller de capacitación en emprendimiento organizado por la Oficina de Transferencia de Tecnología de Brookhaven en abril de 2019. El Grupo Legal de Propiedad Intelectual de Brookhaven presentó recientemente un solicitud de patente provisional para la metodología de diseño de peptoides a la Oficina de Patentes y Marcas de EE. UU.

"Ahora estamos pasando a la etapa de traslación, realizar experimentos utilizando células y organismos potencialmente completos, "dijo Gang.