DNA로 만든 나노로봇, 진단을 위해 바이러스를 잡아 세포 진입 차단

일리노이 대학교 어바나-샴페인 연구원들은 단일 DNA 조각에서 접힌 작은 네 손가락 "손"이 COVID-19를 유발하는 바이러스를 집어 매우 민감한 신속한 검출을 위해 사용할 수 있으며, 심지어 바이러스 입자가 세포에 침투하여 감염되는 것을 차단할 수도 있다고 보고했습니다. 나노그리퍼(NanoGripper)라고 불리는 이 나노로봇 손은 다른 바이러스와 상호 작용하거나 암 치료와 같은 표적 약물 전달을 위해 세포 표면 마커를 인식하도록 프로그래밍될 수도 있습니다.

일리노이 대학의 생명공학 및 화학 교수인 싱 왕(Xing Wang)이 이끄는 연구진은 저널 Science Robotics 에 자신들의 발전 내용을 설명했습니다.

연구자들은 인간의 손과 새 발톱의 그립력에서 영감을 얻어, 4개의 구부러지는 손가락과 손바닥을 가진 NanoGripper를 설계했습니다. 이 모든 것이 하나의 DNA 조각에서 접힌 나노 구조입니다. 각 손가락에는 인간의 손가락처럼 3개의 관절이 있으며, 구부러지는 각도와 정도는 DNA 스캐폴드의 디자인에 따라 결정됩니다.

"우리는 이전에 본 적이 없는, 잡는 기능을 가진 부드러운 소재의 나노스케일 로봇을 만들어서, 생물의학적 응용을 위해 세포, 바이러스 및 기타 분자와 상호 작용하고 싶었습니다." 왕이 말했다. "우리는 구조적 특성 때문에 DNA를 사용하고 있습니다. DNA는 강하고, 유연하며, 프로그래밍이 가능합니다. 하지만 DNA 오리가미 분야에서도 이것은 디자인 원리 측면에서 참신합니다. 우리는 긴 DNA 가닥 하나를 앞뒤로 접어서 모든 요소, 즉 정적 및 이동 조각을 한 번에 만듭니다."

손가락에는 DNA 앱타머라는 영역이 들어 있는데, 이 영역은 분자 표적(이 첫 번째 적용의 경우 COVID-19를 유발하는 바이러스의 스파이크 단백질)에 결합하도록 특별히 프로그래밍되어 있으며, 손가락을 구부려 표적 주위를 감싸도록 합니다. 손목이 있는 반대편에서 NanoGripper는 감지 또는 약물 전달과 같은 생물의학적 적용을 위해 표면이나 다른 더 큰 복합체에 부착할 수 있습니다.

COVID-19 바이러스를 감지하는 센서를 만들기 위해 Wang의 팀은 바이오센싱을 전문으로 하는 일리노이 전기 및 컴퓨터 공학 교수 Brian Cunningham이 이끄는 그룹과 협력했습니다. 그들은 NanoGripper를 광자 결정 센서 플랫폼과 결합하여 병원에서 사용하는 금본위 qPCR 분자 검사의 민감도와 일치하는 30분짜리 빠른 COVID-19 검사를 만들었습니다. 이 검사는 재택 검사보다 정확하지만 시간이 훨씬 더 오래 걸립니다.

커닝햄은 "우리의 테스트는 손상되지 않은 바이러스를 직접 검출하기 때문에 매우 빠르고 간단합니다."라고 말했습니다. "바이러스를 NanoGripper의 손에 쥐면 형광 분자가 작동하여 LED나 레이저로 비추면 빛이 방출됩니다. 많은 수의 형광 분자가 단일 바이러스에 집중되면 검출 시스템에서 각 바이러스를 개별적으로 셀 수 있을 만큼 밝아집니다."

Wang은 NanoGripper가 진단 외에도 바이러스가 세포에 침입하여 감염되는 것을 차단하여 예방 의학에 응용될 수 있다고 말했습니다. 연구원들은 NanoGripper를 COVID-19에 노출된 세포 배양에 첨가했을 때 여러 개의 그리퍼가 바이러스 외부를 감싼다는 것을 발견했습니다. 이는 바이러스 스파이크 단백질이 세포 표면의 수용체와 상호 작용하는 것을 차단하여 감염을 방지했습니다.

"사람이 감염된 후에 적용하기는 매우 어려울 것이지만, 예방적 치료제로 사용할 수 있는 방법이 있습니다." 왕이 말했다. "우리는 항바이러스 비강 스프레이 화합물을 만들 수 있습니다. 코는 COVID나 독감과 같은 호흡기 바이러스의 핫스팟입니다. NanoGripper가 포함된 비강 스프레이는 흡입된 바이러스가 코의 세포와 상호 작용하는 것을 방지할 수 있습니다."

NanoGripper는 인플루엔자, HIV 또는 B형 간염과 같은 다른 바이러스를 표적으로 삼도록 쉽게 조작될 수 있다고 Wang은 말했습니다. 또한 Wang은 NaoGripper를 표적 약물 전달에 사용하는 것을 구상하고 있습니다. 예를 들어, 손가락은 특정 암 마커를 식별하도록 프로그래밍될 수 있고, 그리퍼는 암과 싸우는 치료제를 표적 세포로 직접 운반할 수 있습니다.

"이 접근법은 우리가 이 연구에서 보여준 몇 가지 사례보다 더 큰 잠재력을 가지고 있습니다." 왕은 말했다. "3D 구조, 안정성 및 타겟팅 앱타머 또는 나노바디에 대해 몇 가지 조정이 필요하지만, 우리는 실험실에서 이를 수행하기 위한 여러 가지 기술을 개발했습니다. 물론 많은 테스트가 필요하지만, 암 치료에 대한 잠재적 응용 분야와 진단 응용 분야에서 달성된 민감성은 소프트 나노로봇의 힘을 보여줍니다."

미국 국립보건원과 미국 국립과학재단이 이 연구를 지원했습니다. Wang과 Cunningham은 Carl R. Woese Institute for Genomic Biology와 U. of I의 Holonyak Micro and Nanotechnology Lab에 소속되어 있습니다.

편집자 주: Xing Wang에게 문의하려면 @illinois.edu로 이메일을 보내세요.

논문 "바이러스 감지 및 잠재적 억제를 위한 바이오인스피리드 디자이너 DNA 나노그리퍼"는 @aaas.org" title="mailto:robopak@aaas.org">robopak@aaas.org 에서 제공됩니다. DOI: 10.1126/scirobotic

본 연구는 NIH 연구비 R21EB031310, R44DE030852 및 R21AI166898의 지원을 받아 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241127165721.htm