病毒陷阱:由DNA制成的中空纳米物体可以捕获病毒并使它们无害

2022-04-08新闻资讯

DNA材料制成的纳米壳

内部衬有病毒结合分子,由 DNA 材料制成的纳米壳与病毒紧密结合,从而使其无害。图片来源:Elena-Marie Willner / DietzLab / TUM

迄今为止,还没有针对大多数病毒感染的有效解毒剂。慕尼黑工业大学 (TUM) 的一个跨学科研究团队现已开发出一种新方法:他们使用DNA折纸方法用从遗传材料中定制的纳米胶囊来吞噬和中和病毒。该策略已经在细胞培养中针对肝炎和腺相关病毒进行了测试。它也可能被证明能成功对抗冠状病毒。

有针对危险细菌的抗生素,但很少有治疗急性病毒感染的解毒剂。一些感染可以通过疫苗接种来预防,但开发新疫苗是一个漫长而费力的过程。

现在,来自慕尼黑工业大学、Helmholtz Zentrum München 和 Brandeis 大学(美国)的一个跨学科研究团队正在提出一种治疗急性病毒感染的新策略:该团队开发了由 DNA 制成的纳米结构,这种物质使增加我们的遗传物质,可以捕获病毒并使它们无害。

为了使 DNA 板组装成更大的几何结构,边缘必须略微倾斜。边缘上结合点的正确选择和定位可确保面板自组装到所需的对象。该视频展示了一个开放纳米壳的冷冻电镜 3D 重建。图片来源:Christian Sigl / DietzLab / TUM

DNA纳米结构

甚至在冠状病毒的新变种让世界陷入停顿之前,慕尼黑工业大学物理系生物分子纳米技术教授亨德里克·迪茨 (Hendrik Dietz) 和他的团队就在致力于构建能够自行组装的病毒大小的物体。

1962 年,生物学家唐纳德·卡斯帕和生物物理学家亚伦·克鲁格发现了构建病毒蛋白质包膜的几何原理。基于这些几何规范,慕尼黑工业大学 Hendrik Dietz 周围的团队在美国布兰代斯大学的 Seth Fraden 和 Michael Hagan 的支持下,开发了一种概念,可以生产病毒大小的人造空心体。

2019 年夏天,该团队询问这种空心体是否也可以用作一种“病毒陷阱”。如果它们的内部衬有病毒结合分子,它们应该能够紧紧地结合病毒,从而能够将它们排除在循环之外。然而,为此,中空体还必须具有足够大的开口,病毒可以通过这些开口进入外壳。

“当时我们使用 DNA 折纸技术建造的任何物体都无法吞噬整个病毒——它们太小了,”亨德里克·迪茨 (Hendrik Dietz) 回想起来说。“建造这种尺寸的稳定空心体是一项巨大的挑战。”

克里斯蒂安·西格尔

慕尼黑工业大学 (TUM) 的一个跨学科研究小组开发了一种全新的抗病毒治疗方法:它们可以用基因材料定制的纳米胶囊吞噬并中和病毒。该策略已经在细胞培养中针对肝炎和腺相关病毒进行了测试。图片显示主要作者 Christian Sigl 在 TUM 纳米技术和纳米材料中心的实验室制备纳米胶囊。来源:丹尼尔·德朗 / TUM

病毒陷阱套件

从二十面体的基本几何形状开始,该物体由 20 个三角形表面组成,团队决定用三维三角形板构建病毒陷阱的空心体。

为了使 DNA 板组装成更大的几何结构,边缘必须略微倾斜。边缘上结合点的正确选择和定位可确保面板自组装到所需的对象。

“通过这种方式,我们现在可以使用三角形板的确切形状对所需物体的形状和大小进行编程,”Hendrik Dietz 说。“我们现在可以生产具有多达 180 个子单元的物体,并实现高达 95% 的产量。然而,那里的路线非常崎岖,有很多次迭代。”

CSB-500T1生物显微镜(已停产)
CSB-500T1生物显微镜(已停产)

病毒被可靠地阻止

通过改变三角形边缘的结合点,该团队的科学家不仅可以创建封闭的空心球体,还可以创建具有开口或半壳的球体。然后这些可以用作病毒陷阱。

该团队与慕尼黑工业大学病毒学研究所所长、慕尼黑亥姆霍兹中心病毒学研究所所长 Ulrike Protzer 教授的团队合作,测试了腺相关病毒和乙型肝炎病毒核心上的病毒陷阱。

“即使是大小合适的简单半壳,病毒活性也会显着降低,”Hendrik Dietz 说。“如果我们在内部放置五个病毒结合位点,例如合适的抗体,我们已经可以将病毒阻断 80%,如果我们结合更多,我们就可以实现完全阻断。”

为了防止 DNA 颗粒在体液中立即降解,研究小组用紫外线照射完成的构件,并用聚乙二醇和寡聚赖氨酸处理外部。因此颗粒在小鼠血清中稳定24小时。

通用的构造原理

现在下一步是在活老鼠身上测试构建模块。“我们非常有信心,这种材料也会被人体很好地耐受,”迪茨说。

新发现:中国科大量子纳米显微技术研究取得重要突破

“细菌有新陈代谢。我们可以用不同的方式攻击它们,”Ulrike Protzer 教授说。“另一方面,病毒没有自己的新陈代谢,这就是为什么抗病毒药物几乎总是针对单一病毒中的特定酶。这样的发展需要时间。如果能够实现简单机械地消灭病毒的想法,这将是广泛适用的,因此是一个重要的突破,特别是对于新出现的病毒。

病毒诱捕器的起始材料可以通过生物技术以合理的成本大量生产。“除了作为病毒陷阱的提议应用之外,我们的可编程系统还创造了其他机会,”Hendrik Dietz 说。“也可以将其用作疫苗接种的多价抗原载体、基因治疗的 DNA 或RNA载体或药物的运输工具。”

参考:

“用于病毒捕获的可编程二十面体外壳系统”,作者: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 . Hagan、Seth Fraden 和 Hendrik Dietz,2021 年 6 月 14 日,自然材料
DOI: 10.1038/s41563-021-01020-4

该研究由 FET-Open 项目 VIROFIGHT(授权号 899619)下的欧共体 Horizo​​n 2020 研究和创新计划、欧洲研究委员会(ERC)在 Consolidator Grant 下、德国研究基金会(DFG)通过 SFB863 和TRR179,并由 Gottfried Wilhelm Leibniz 计划、德国联邦教育和研究部 (BMBF) 通过 StabVacB 项目和德国感染研究中心 (DZIF)、荷兰科学研究组织 (NWO)、国家美国科学基金会通过布兰代斯大学材料研究科学与工程中心、美国国家普通医学科学研究所 (NIGMS) 和亚历山大·冯·洪堡基金会 (AvH)。

相关内容