"เป็นเวลาหลายสิบปีที่นักวิทยาศาสตร์ใฝ่ฝันที่จะรวบรวมโปรตีนอย่างมีเหตุผลในองค์กรเฉพาะที่มีการทำงานของโปรตีนที่เก็บรักษาไว้" Oleg Gang ผู้เขียนที่เกี่ยวข้องซึ่งเป็นผู้นำของ Center for Functional Nanomaterials (CFN) Soft and Bio Nanomaterials Group ที่ Brookhaven Lab และศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีกล่าว และฟิสิกส์ประยุกต์และวัสดุศาสตร์ที่ Columbia Engineering "แพลตฟอร์มที่ใช้ DNA ของเรามีศักยภาพมหาศาล ไม่เพียงแต่สำหรับชีววิทยาเชิงโครงสร้างเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการใช้งานด้านวิศวกรรมชีวภาพ ชีวการแพทย์ และวัสดุชีวภาพต่างๆ ด้วย"

แรงจูงใจหลักของงานนี้คือการสร้างวิธีที่มีเหตุผลในการจัดระเบียบโปรตีนให้เป็นสถาปัตยกรรม 2 มิติและ 3 มิติที่ออกแบบมาโดยคงไว้ซึ่งหน้าที่ของโปรตีน ความสำคัญของการจัดระเบียบโปรตีนเป็นที่รู้จักกันดีในด้านผลึกศาสตร์ของโปรตีน สำหรับเทคนิคนี้ โปรตีนจะถูกนำมาจากสภาพแวดล้อมที่มีพื้นฐานเป็นสารละลายและควบแน่นเพื่อสร้างการจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบของอะตอม (โครงสร้างผลึก) ซึ่งสามารถกำหนดลักษณะเชิงโครงสร้างได้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากคุณสมบัติความยืดหยุ่นและการรวมตัว โปรตีนหลายชนิดจึงตกผลึกได้ยาก ซึ่งจำเป็นต้องมีการทดลองและข้อผิดพลาด โครงสร้างและหน้าที่ของโปรตีนอาจเปลี่ยนแปลงในระหว่างกระบวนการตกผลึก และอาจไม่ทำงานเมื่อตกผลึกด้วยวิธีการแบบเดิม แนวทางใหม่นี้เปิดโอกาสมากมายในการสร้างวัสดุชีวภาพทางวิศวกรรม

ผู้เขียนคนแรก Shih-Ting (Christine) กล่าวว่า "ความสามารถในการสร้างโครงตาข่ายโปรตีนที่ออกฤทธิ์ทางชีวภาพนั้นเกี่ยวข้องกับการใช้งานหลายอย่าง รวมถึงวิศวกรรมเนื้อเยื่อ ระบบเอนไซม์หลายตัวสำหรับปฏิกิริยาทางชีวเคมี การทำโปรไฟล์ขนาดใหญ่ของโปรตีนสำหรับยาที่แม่นยำ และชีววิทยาสังเคราะห์ ) Wang ซึ่งเป็น postdoc ในกลุ่ม CFN Soft and Bio Nanomaterials

แม้ว่า DNA เป็นที่รู้จักกันดีที่สุดสำหรับบทบาทในการจัดเก็บข้อมูลทางพันธุกรรมของเรา กระบวนการจับคู่ฐานเดียวกันที่ใช้สำหรับการจัดเก็บนี้สามารถใช้ประโยชน์เพื่อสร้างโครงสร้างนาโนที่ต้องการได้ DNA สายเดี่ยวประกอบด้วยหน่วยย่อยหรือนิวคลีโอไทด์ซึ่งมีสี่ประเภท (รู้จักด้วยตัวอักษร A, C, T และ G) นิวคลีโอไทด์แต่ละตัวมีนิวคลีโอไทด์เสริมที่ดึงดูดและจับกับ (A กับ T และ C กับ G) เมื่อสาย DNA สองเส้นอยู่ใกล้กัน การใช้แนวคิดนี้ในเทคนิคของ DNA origami นักวิทยาศาสตร์ได้ผสม DNA สังเคราะห์สั้น ๆ หลายเส้นเข้ากับ DNA ที่ยาวเพียงเส้นเดียว เส้นสั้นจะผูกมัดและ "พับ" เส้นยาวให้เป็นรูปร่างเฉพาะตามลําดับของฐาน ซึ่งนักวิทยาศาสตร์สามารถระบุได้

ในกรณีนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้สร้าง DNA origami รูปทรงแปดด้าน ภายในเฟรมเวิร์กที่เหมือนกรงเหล่านี้ พวกเขาวางสายดีเอ็นเอที่มี "สี" หรือลำดับการเข้ารหัสที่ตำแหน่งเป้าหมาย (กึ่งกลางและนอกศูนย์กลาง) บนพื้นผิวของโปรตีน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เฟอร์ริติน ซึ่งเก็บและปล่อยธาตุเหล็ก และอะโพเฟอริตินซึ่งเป็นคู่กันที่ปราศจากธาตุเหล็ก พวกมันติดสายดีเอ็นเอที่เสริมกัน โดยการผสมกรงดีเอ็นเอและโปรตีนคอนจูเกตและทำให้ส่วนผสมร้อนขึ้นเพื่อส่งเสริมปฏิกิริยา โปรตีนจะไปยังตำแหน่งที่กำหนดภายใน พวกเขายังสร้างกรงเปล่าโดยไม่มีโปรตีนอยู่ภายใน

ในการเชื่อมต่อหน่วยการสร้างระดับนาโนหรือโปรตีน "voxels" (กรง DNA ที่มีโปรตีนห่อหุ้ม) ในอาร์เรย์ 2-D และ 3-D ที่ต้องการ ผู้เขียนคนที่สองและนักศึกษาปริญญาเอกของ Columbia Brian Minevich ได้ออกแบบสีต่างๆ สำหรับพันธะภายนอกของ voxels ด้วยโครงร่างสีนี้ voxels จะจดจำกันและกันด้วยวิธีที่ควบคุมได้และตั้งโปรแกรมได้ ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของโครงตาข่ายโปรตีนที่กำหนดโดยเฉพาะ เพื่อแสดงให้เห็นถึงความเก่งกาจของแพลตฟอร์ม ทีมงานได้สร้างอาร์เรย์ 2 มิติแบบชั้นเดียวและสองชั้น รวมทั้งอาร์เรย์ 3 มิติ

"การจัดสีในลักษณะเฉพาะ เราสามารถตั้งโปรแกรมการก่อตัวของโครงตาข่ายต่างๆ ได้" Gang อธิบาย "เรามีการควบคุมอย่างเต็มที่ในการออกแบบและสร้างสถาปัตยกรรมโครงตาข่ายโปรตีนที่เราต้องการ"

เพื่อยืนยันว่าโปรตีนถูกห่อหุ้มไว้ภายในกรงและโครงตาข่ายได้ถูกสร้างขึ้นตามที่ออกแบบไว้ ทีมงานได้หันไปใช้เทคนิคการถ่ายภาพและกระเจิงโดยใช้อิเล็กตรอนและเอ็กซ์เรย์แบบต่างๆ เทคนิคเหล่านี้รวมถึงการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (EM) ที่ CFN; การกระเจิงของรังสีเอกซ์ในมุมเล็กที่ National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) Complex Materials Scattering (CMS) และ Life Science X-ray Scattering (LiX) ที่ Brookhaven; และการถ่ายภาพด้วยความเย็น-EM ที่ Molecular Foundry (MF) ของ Lawrence Berkeley และ CUNY Advanced Science Research Center CFN, NSLS-II และ MF เป็นสำนักงานผู้ใช้วิทยาศาสตร์ของ DOE ทั้งหมด CFN และ MF เป็นศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์ DOE Nanoscale สองในห้าแห่ง

"วิทยาศาสตร์ได้รับการเปิดใช้งานโดยความสามารถในการสังเคราะห์และการกำหนดลักษณะขั้นสูงที่สถานที่ของผู้ใช้สามแห่งภายในระบบห้องปฏิบัติการแห่งชาติและโรงงานแห่งหนึ่งในมหาวิทยาลัย" นายแก๊งกล่าว "หากไม่มีสิ่งอำนวยความสะดวกเหล่านี้และความเชี่ยวชาญของนักวิทยาศาสตร์จากแต่ละแห่ง การศึกษานี้คงเป็นไปไม่ได้"

หลังจากการศึกษาการประกอบเหล่านี้ พวกเขาได้ตรวจสอบกิจกรรมทางชีววิทยาของเฟอร์ริติน การเพิ่มรีเอเจนต์รีดิวซ์ลงในโครงตาข่ายเฟอร์ริติน จะทำให้เกิดการปลดปล่อยไอออนของเหล็กจากศูนย์กลางของโปรตีนเฟอร์ริติน

"ด้วยการตรวจสอบวิวัฒนาการของรูปแบบ SAXS ในระหว่างการปล่อยธาตุเหล็ก เราสามารถหาปริมาณเหล็กที่ถูกปลดปล่อยออกมาได้เร็วแค่ไหน และปล่อยออกมาได้เร็วแค่ไหน เช่นเดียวกับการยืนยันว่าความสมบูรณ์ของโครงตาข่ายยังคงอยู่ในระหว่างการทำงานของโปรตีน" Minevich กล่าว "จากการศึกษา TEM ของเรา โปรตีนยังคงอยู่ภายในเฟรม"

"เราแสดงให้เห็นว่าโปรตีนสามารถทำหน้าที่เช่นเดียวกับที่ทำในสภาพแวดล้อมทางชีวภาพในขณะที่ยังคงรักษาโครงสร้างเชิงพื้นที่ที่เราสร้างขึ้น" วังอธิบาย

ต่อไป ทีมงานจะใช้แพลตฟอร์ม DNA-based กับโปรตีนประเภทอื่นๆ โดยมีเป้าหมายในการสร้างระบบโปรตีนที่ซับซ้อนและใช้งานได้จริง

"งานวิจัยชิ้นนี้เป็นขั้นตอนสำคัญในการนำส่วนประกอบที่แตกต่างจากเครื่องจักรทางชีววิทยาจริงมารวมกันและจัดระเบียบให้เป็นสถาปัตยกรรม 2 มิติและ 3 มิติที่ต้องการเพื่อสร้างวัสดุทางวิศวกรรมและออกฤทธิ์ทางชีวภาพ" นายแก๊งกล่าว "เป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นเพราะเราเห็นเส้นทางที่มีเหตุผลในการสร้างระบบไบโอนาโนที่ใช้งานได้จริงอย่างที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนโดยธรรมชาติ"