DNA-origami: Et unikt verktøy for å forstå biologi

Det er størrelsen som teller i nanoteknologi. De bittesmå strukturene gir oss verktøy som skaper uante muligheter innen persontilpasset medisin. Et av dem er DNA-origami.

Illustarsjon: DNA-molekyl med to trearmete figurer oppå

Forenklet fremstilling av en DNA-struktur dekorert med flere kopier av samme antigen. Antistoffet i grønt binder et antigen via hver sin arm, mens antistoffet i gult binder kun et antigen med en av sine armer. Illustrasjon: Simone Mester.

I samarbeid med kollegaer ved Karolinska institutet har jeg og min forskergruppe publisert en ny studie i Nature Nanotechnology hvor vi bruker nettopp DNA-origami til å avdekke helt ny innsikt.

Men før jeg går inn på den, vil jeg forklare hva nanoteknologi og DNA-origami egentlig er - og mulighetene denne teknologien skaper.  

For ja, det er størrelsen som teller. Iallfall i nanoteknologi.

Nanoteknologi er nemlig et muliggjørende verktøy av svært små strukturer i størrelsesorden 0.1-100 nanometer. En nanometer er så lite som bare en milliondels millimeter, og er en slags grense i naturen hvor vi går inn i en usynlig atomær og molekylær verden.     

Muliggjør nye legemidler

Vårt arvemateriale, DNA, består av byggesteiner som kalles «baser». Ulike «baser» parrer med hverandre og danner 2 komplementære strenger som former en spiral. Selve oppskriften på et såkalt gen kodes av rekkefølgen av «basene» langs DNAet som for hvert gen er unik. Den klassiske DNA-spiralen er kun 2 nanometer vid og strekker seg 3.4 nanometer per sekvens med 10 basepar. I laboratoriet derimot kan vi lage DNA-strukturer som ikke ligner noe av det vi finner i naturen.  

En måte å fremstille unaturlige DNA-strukturer på kalles DNA-origami. Ordet «origami» er japansk og betyr «papirbretting», og er en kunstform som går ut på å brette papir etter geometriske regler for å oppnå ønsket design. Designet kan varierer fra helt enkle figurer til langt mer komplekse figurer som det kan ta flere timer å ferdigstille. DNA-origami derimot er design av to- og tredimensjonale strukturer som er satt sammen av DNAets byggesteiner. 

Teknologien har gitt ny kunnskap om sentrale biologiske prosesser på nanometernivå. Slik innsikt kan bane vei for design av nye skreddersydde legemidler.    

DNA-origami er et genialt forskningsverktøy  

Siden DNAets kjemiske sammensetning er godt studert er det egnet til design av veldefinerte strukturer hvor molekyler kan kobles til DNAet med en helt bestemt plassering mellom molekylene. Med andre ord kan DNAets byggesteiner benyttes som konstruksjonsmateriale hvor avstanden mellom de koblede molekylene kan kontrolleres på nanometernivå. De koblede molekylene kan være kjemiske komponenter eller proteiner som normalt befinner seg på overflaten av våre celler, virus eller bakterier. DNA-strukturene mimikere disse overflatene.   

Ved DNA-origami benyttes altså DNAets byggesteiner som en «brette»-metode for å konstruere unike strukturer, og derfor er den genetiske koden til strukturene av underordnet betydning. Istedenfor kan strukturene benyttes som verktøy i forskning for å avsløre sentrale biologiske problemstillinger.   

Videoen under gir en fin introduksjon av hva DNA-origami er: 

DNA-origami som målestokk

Grunnleggende innsikt om hvordan kroppens celler kommuniserer er avgjørende for å forstå hvordan vi holder oss friske eller hva som går galt når vi utvikler sykdom. 

Celler kommuniserer blant annet ved at proteinbaserte molekyler på deres overflate binder seg til hverandre på helt bestemte måter under ulike forhold. Å studere disse komplekse mekanismene forutsetter at man kan kontrollere avstanden mellom de enkelte molekylene. Her kan DNA-origami være til hjelp som en målestokk, hvor strukturene kan dekoreres med rasjonelt utformede proteinmønstre.

Disse nanometer-verktøyene kan kombineres med biokjemiske, cellulære eller bioteknologiske systemer for å gi ny innsikt.  

Våre fotsoldater – antistoffene!  

Vi angripes av virus og bakerier livet ut. I verste fall kan man utvikle kreft eller dø, men heldigvis klarer kroppen som oftest å fjerne de uønskede inntrengerne. Det skjer blant annet ved at immunforsvaret danner antistoffer. Antistoffene binder seg til antigener. Antigener er fremmede proteiner eller sukkermolekyler som er bundet til overflaten av virus og bakterier.

Antistoffer er avgjørende for å bekjempe infeksjoner. De er våre «fotsoldater» og patruljerer blodbanen og vev på jakt etter inntrengere. Dannelse av antistoffer er derfor en av grunnene til at vaksiner virker så godt. 

Trenger du en rask innføring i immunologi? Sjekk ut blogginnlegget "Immunologi for dummies"

Ulike typer antistoffer binder seg til repeterende antigenmønstre på en gitt overflate på forskjellig vis. Derfor varierer også deres evne til å blokkere eller fjerne en celle eller mikrobe fra kroppen. Nøyaktig hvordan slike antigenmønstre fremkaller et sterkt antistoffsvar er imidlertid langt fra fullt ut forstått. 

Begrenset kunnskap om sammenhengen mellom antistoffers struktur og funksjon hindrer oss i å forstå hvordan ulike typer antistoffer dynamisk binder seg til ulike romlige arrangementer av molekyler.

Kunnskap på et nanometernivå er derfor nødvendig for å forstå biologi. Men det er også avgjørende for hvordan vi skal kunne skreddersy antistoffer for behandling av sykdom. 

Antistoffer er den gruppen med biologiske legemidler som er i sterkest vekst. Slike såkalte  antistoffer, som fremskaffes i laboratoriet, er i utstrakt bruk i behandling av kronisk betennelse, kreft, infeksjonssykdom samt også mot alvorlig migrene. Mer enn 60 antistoffer er i dag godkjent, og ytterligere nesten 600 er under utprøving.

Grunnet deres kliniske suksess, så jobbes det innherding med design av en helt ny generasjon med antistoffer som er konstruert slik at de har betydelig forbedrede egenskaper. Slik design forutsetter en grundig molekylær forståelse av antistoffers evne til å binde antigener med ulike romlige arrangementer på et nanometernivå.  

Bruker  «gen-sløyd»

Sammen med forskningsgruppa til Bjørn Høgberg ved Karolinska Instituttet, som er et av flere verdensledende miljøer med fokus på bruk av DNA-origami i ulike applikasjoner, har vi nettopp studert hvordan ulike typer humane antistoffer binder seg til såkalte antigener med ulik romlighet. Dette har gitt oss helt ny innsikt som nå er publisert i tidsskriftet Nature Nanotechnology.  

Vår lab har etablert robuste systemer for fremstilling av monoklonale antistoffer, og disse antistoffene benytter vi som verktøy til å studere sammenhengen mellom struktur og funksjon. Dette gjør vi ved bruk av unike biokjemiske og cellulære systemer samt bruk av dyremodeller. Vi benytter oss også av «gen-sløyd» til å endre den strukturelle sammensetningen av antistoffene. Slike endringer gjøres for å skreddersy antistoffenes evne til å binde ulike antigener og bekjempe infeksjoner.

Ved å kombinere våre antistoffer med DNA-origami så etablerte vi en ny metode hvor vi kan måle hvordan ulike antistoffer binder seg til antigenmønstre koblet til ulike DNA-strukturer.

Binder seg sammen

Antistoffer har en Y-form med 2 like armer, hvor hver arm kan binde seg til et gitt antigen. Derav kan et antistoff i prinsippet binde seg til 2 like antigener samtidig. Dette kalles bivalent binding. Men slik er det ikke alltid, siden evnen til å binde bivalent er avhengig av antigenmønstre og romlighet på en overflate. Om et gitt antistoff har evne til å binde bivalent eller ikke kan være avgjørende for hvor effektivt antistoffet virker under en immunrespons eller terapeutisk. 

I vår studie fant vi at humane antistoffer, rettet mot et modell-antigen, kunne binde seg bivalent til 2 like antigener med en avstand på 3 til 17 nm. Hvor sterkt antistoffene kunne binde forandret seg med avstanden mellom antigenene som var koblet til DNA-strukturene. Vi avdekket også en preferanse for binding til antigener som er separert med ca. 16 nm.

Videre, så viser vi at det også er en betydelig forskjell i romlig toleranse mellom ulike typer antistoffer, og at det er forskjeller mellom antistoffer som binder antigenet svakt eller sterkt. 

Den nyetablerte nanoteknologiske metoden baner vei for studier som kan gi grunnleggende mekanistisk innsikt i hvordan naturlige antistoffer binder seg til ulike antigenmønstre. Slik kunnskap vil kunne guide design av nye antistoff-formater med bedre evne til å binde gitte antigenmønstre.

Dette kan gi oss skreddersydde antistoffer som mer effektivt bekjemper kreft eller fjerner smittsomme mikrober. 

Les mer:

Forskergruppa i sosiale medier:

Av Jan Terje Andersen
Publisert 17. jan. 2019 11:05 - Sist endret 29. mars 2019 08:35
Lege undersøker et barns tunge

Medisinbloggen

En fagblogg fra Det medisinske fakultet, UiO.

Har du tips til temaer på bloggen? Send e-post til sosiale-medier@medisin.uio.no