Una pequeña “mano” de cuatro dedos puede extraer el virus plegado de una sola pieza de ADN que causa el COVID-19 para una detección rápida altamente sensible e incluso evitar que las partículas virales entren en las células, informan investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Apodado nanogripper, el brazo nanorobótico se puede programar para reconocer marcadores de la superficie celular para interactuar con otros virus o administrar medicamentos específicos, como en los tratamientos contra el cáncer.
Dirigidos por Jing Wang, profesor de bioingeniería y química, los investigadores describen sus avances en la revista. Robótica científica.
Inspirándose en la capacidad de agarre de las manos humanas y las garras de los pájaros, los investigadores diseñaron una nanopinza con cuatro dedos flexibles y una palma, todo en una única nanoestructura plegada a partir de una sola pieza de ADN. 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 desarrollar 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 usando ADN por sus propiedades estructurales. Es fuerte, flexible y programable. Incluso en el caso del origami de ADN, es novedoso en términos de principios de diseño. Lo hacemos todo doblando una larga hebra de ADN hacia adelante y hacia atrás. componentes, tanto fijos como móviles, en un solo paso.”
Los dedos contienen regiones llamadas aptámeros de ADN que están específicamente programadas para unirse a objetivos moleculares (la proteína de pico del virus que causa el COVID-19, en esta primera aplicación) y hacer que los dedos se enrollen alrededor del objetivo. En el lado opuesto, donde estaría la muñeca, el nanogripper podría unirse a una superficie u otro complejo más grande para aplicaciones biomédicas como la detección o la administración de fármacos.
Para desarrollar un sensor para detectar el virus COVID-19, el equipo de Wang se asoció con un grupo dirigido por el profesor de ingeniería eléctrica e informática de Illinois, Brian Cunningham, que se especializa en biodetección. Combinaron el nanogripper con una plataforma de sensor de cristal fotónico para crear una prueba rápida de COVID-19 de 30 minutos que coincide con la sensibilidad de la prueba molecular qPCR estándar utilizada por los hospitales, que es más precisa que las pruebas caseras pero requiere mucho tiempo. más extenso.
“Nuestra prueba es muy rápida y sencilla porque detectamos directamente el virus intacto”, dijo Cunningham. “Cuando el nanogripper captura el virus, se activa una molécula fluorescente que emite luz cuando se ilumina con un LED o un láser. Cuando una gran cantidad de moléculas fluorescentes se concentran en un virus, se vuelve lo suficientemente brillante para nuestro sistema de detección. Cuente cada una virus individualmente”.
Además del diagnóstico, el nanogripper podría tener aplicaciones en medicina preventiva al evitar que los virus entren e infecten las células, dijo Wang. Los investigadores descubrieron que cuando se añadían nanopinzas a cultivos celulares expuestos a Covid-19, múltiples pinzas envolvían el exterior del virus. Evita que las proteínas de pico viral interactúen con los receptores de la superficie celular, previniendo la infección.
“Sería muy difícil aplicarlo después de que una persona esté infectada, pero hay una manera de usarlo como terapéutico preventivo”, dijo Wang. “Podemos desarrollar un compuesto antiviral en aerosol nasal. La nariz es un punto caliente para virus respiratorios como el Covid o la influenza. Un aerosol nasal con nanopinzas puede evitar que los virus inhalados entren en contacto con las células nasales”.
El nanogripper podría desarrollarse fácilmente para atacar otros virus como la gripe, el VIH o la hepatitis B, afirmó Wang. Además, Wang prevé utilizar NaoGripper para la administración selectiva de fármacos. Por ejemplo, los dedos pueden programarse para detectar marcadores de cáncer específicos y las pinzas pueden administrar tratamientos contra el cáncer directamente a las células diana.
“Este enfoque tiene mayor potencial que los pocos ejemplos que hemos mostrado en este trabajo”, afirmó Wang. “Necesitamos hacer algunos ajustes a la estructura 3D, la estabilidad y la orientación de los aptámeros o nanocuerpos, pero hemos desarrollado varias técnicas para hacerlo en el laboratorio. Por supuesto, esto requerirá muchas pruebas, pero la sensibilidad lograda es suave para Aplicaciones potenciales en el tratamiento del cáncer y aplicaciones de diagnóstico. Demuestra el poder de la nanorobótica”.
Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias. Carl R. Wang y Cunningham de biología genómica. Afiliado al Instituto Wyss y al Laboratorio de Micro y Nanotecnología Holoniak de la U.
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 “Nanogrippers 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.