Una pequeña “mano” de cuatro dedos unida a un trozo de ADN puede detectar el virus que causa el COVID-19 para una detección rápida altamente sensible e incluso detectar partículas virales que ingresan a las células puede evitar que se infecten, Universidad de Illinois en Urbana. Informe de los investigadores de Champaign. La mano nanorobótica, denominada Nanogripper, también se puede programar para reconocer marcadores de la superficie celular para interacciones con otros virus o para la administración dirigida de medicamentos, como tratamientos contra el cáncer.
Dirigidos por Xing Wang, profesor de bioingeniería y química en la U. de I., los investigadores describen su progreso en la revista. Robótica científica.
Inspirándose en el poder de agarre de las manos humanas y las garras de los pájaros, los investigadores diseñaron una nanopinza con cuatro dedos flexibles y una palma, todos unidos a una sola pieza de ADN en una única nanoestructura. Cada dedo tiene tres articulaciones, como un dedo humano, y el ángulo y el grado de flexión están determinados por el diseño de la estructura de ADN.
“Queríamos crear un robot de material blando a nanoescala con funciones de agarre nunca antes vistas, para interactuar con células, virus y otras moléculas para aplicaciones biomédicas”, dijo Wang. “Estamos utilizando ADN por sus propiedades estructurales. Es fuerte, flexible y programable. Sin embargo, en el campo del origami de ADN, es nuevo en términos de principios de diseño. Los elementos, estáticos y dinámicos. Ambas piezas, en un solo paso”.
Los dedos contienen regiones llamadas aptámeros de ADN que están programadas para unirse específicamente a objetivos moleculares (la proteína de pico del virus que causa el COVID-19, para esta primera aplicación) y apuntar a los desencadenantes para que se doblen y se envuelvan. En la dirección opuesta, donde estaría la muñeca, el nanogripper podría fijarse a una superficie u otro complejo grande para aplicaciones biomédicas como la detección o la administración de fármacos.
Para crear un sensor que detecte el virus COVID-19, el equipo de Wang se asoció con un grupo dirigido por Brian Cunningham, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Illinois, que se especializa en biodetección. Combinaron la nanopinza con una plataforma de sensor de cristal fotónico para desarrollar una prueba rápida de COVID-19 de 30 minutos que iguala la sensibilidad de las pruebas moleculares qPCR estándar utilizadas por los hospitales, que son más precisas que las pruebas caseras pero tardan más. . .
“Nuestra prueba es muy rápida y sencilla porque detectamos el virus directamente”, dijo Cunningham. “Cuando un virus es atrapado por un nanogripper, una molécula fluorescente se activa para emitir luz cuando se ilumina con un LED o un láser. Cuando una gran cantidad de moléculas fluorescentes se enfocan en un solo virus, nuestro sistema de detección se vuelve lo suficientemente brillante como para contar cada una. virus individualmente.”
Además del diagnóstico, el nanogripper podría usarse en inmunoterapia evitando que los virus entren e infecten las células, dijo Wang. Los investigadores descubrieron que cuando se añadían las nanopinzas a cultivos celulares que luego fueron expuestos al COVID-19, múltiples pinzas envolvían el exterior del virus. Esto impidió que la proteína de pico viral interactuara con los receptores en la superficie de las células, previniendo la infección.
“Sería muy difícil aplicarlo después de que una persona haya sido infectada, pero hay una manera de usarlo como tratamiento preventivo”, afirmó Wang. “Podemos fabricar un compuesto antiviral en aerosol nasal. La nariz es un punto caliente para los virus respiratorios, como el COVID o la influenza. Un aerosol nasal con NanoGripper puede bloquear los virus inhalados con células nasales”.
La nanopinza podría diseñarse fácilmente para atacar otros virus, como la gripe, el VIH o la hepatitis B, afirmó Wang. Además, Wang prevé el uso de NaoGripper para la administración selectiva de fármacos. Por ejemplo, los dedos pueden programarse para identificar marcadores de cáncer específicos y los agarres pueden administrar tratamientos contra el cáncer directamente a las células diana.
“Este enfoque tiene un gran potencial más allá de los pocos ejemplos que hemos demostrado en este trabajo”, afirmó Wang. “Hay algunos ajustes que tendremos que hacer con la estructura 3D, la estabilidad y los aptámeros o nanocuerpos dirigidos, pero hemos desarrollado varias técnicas para hacerlo en el laboratorio. Por supuesto, esto requerirá muchas pruebas, pero el cáncer Las posibles aplicaciones terapéuticas y de diagnóstico demuestran el poder de la nanorobótica blanda”.
Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias. Wang y Cunningham están afiliados al Instituto Carl R. Voss de Biología Genómica y al Laboratorio de Micro y Nanotecnología Holoniac.
Nota del editor: para comunicarse con Xing Wang, envíe un correo electrónico a @illinois.edu” title=”mailto:xingw@illinois.edu”>xingw@illinois.edu
El artículo “Nanogripper de ADN de diseño bioinspirado para detección de virus e inhibición potencial” está disponible en @aaas.org” title=”mailto:robopak@aaas.org”>robopak@aaas.org. DOI: 10.1126/scirobotic
Este trabajo fue financiado en parte por las subvenciones NIH R21EB031310, R44DE030852 y R21AI166898.
