Wirusy jako nanotechnologiczne elementy składowe materiałów i urządzeń

Wysłany: Mar 19, 2007

(Nanowerk Spotlight) Genetycy regularnie używają wirusów jako wektorów do wprowadzania genów do komórek, które badają. Wirusy są również najczęstszymi nośnikami w terapii genowej. Genetycznie zmienione, aby przenosić normalne ludzkie DNA, dostarczają geny terapeutyczne do komórek docelowych pacjenta. Wirusy te infekują komórki, odkładają ładunki DNA i przejmują maszynerię komórkową do produkcji pożądanych białek.

Obecne trendy w nanotechnologii obiecują skierować technologię wirusów w zupełnie nowy kierunek. Z punktu widzenia materiałoznawcy wirusy można uznać za nanocząstki organiczne. Ich powierzchnia zawiera specjalne narzędzia zaprojektowane do przekraczania barier komórek gospodarza. Rozmiar i kształt wirusów oraz liczba i charakter grup funkcyjnych na ich powierzchni są precyzyjnie określone. Jako takie, wirusy są powszechnie stosowane w materiałoznawstwie jako rusztowania do kowalencyjnie powiązanych modyfikacji powierzchni.

Potężne techniki opracowane przez nauki przyrodnicze stają się podstawą podejścia inżynieryjnego do nanomateriałów, otwierając szeroki zakres zastosowań daleko poza biologią i medycyną.

Słowo wirus pochodzi od łacińskiego wirusa – „trucizna”. Wirus to nanocząsteczka (o wielkości od 20 do 300 nm), która może infekować komórki organizmu biologicznego. Wirusy nie mogą rozmnażać się same. Replikują się tylko poprzez infekowanie komórki gospodarza. Na najbardziej podstawowym poziomie wirusy składają się z materiału genetycznego zawartego w ochronnej płaszczu białkowej.

Dla naukowców szczególną cechą wirusów jest to, że można je dostosować poprzez ukierunkowaną ewolucję. Właściwości wirusa można łatwo modyfikować, zmieniając podstawowy plan budowy – sekwencję kwasu nukleinowego genomu wirusa. Możliwe jest również wytwarzanie wirusowych chimer, które przenoszą białka o różnym pochodzeniu wirusowym.

„Wirusy mogą być namnażane w odpowiednich tkankach i hodowlach komórkowych, ale nie mają żadnej własnej aktywności metabolicznej” – wyjaśnia dr Edwin Donath w Nanowerk. „To w zasadzie pozwala na wykorzystanie wirionów (naturalnych cząstek wirusowych) jako trwałych elementów budulcowych dla materiałów kompozytowych. W połączeniu z potężnym podejściem biologii molekularnej, wszystkie te cechy zapewniają nowatorskie i dalekosiężne możliwości produkcji i inżynierii hybrydowych materiałów kompozytowych z tych nanocząstek. „

Donath, profesor w Instytucie Fizyki Medycznej i Biofizyki na Uniwersytecie w Lipsku w Niemczech, wraz z pierwszym autorem Martinem Fischlechnerem, opublikował przegląd nowych zastosowań wirusów jako elementów budulcowych w nanotechnologii („Wirusy jako elementy składowe materiałów i urządzeń”).

„Zamiast inżynierii chemicznej w materiał kompozytowy, wygodniej jest wykorzystać nanocząstki jako nośniki pożądanych właściwości” – mówi Fischlechner. „Te nanocząstki można następnie wykorzystać jako elementy budulcowe do wytwarzania materiału kompozytowego z wymaganym Cechy. Zmodyfikowane wirusy mogą spełniać rolę nanocząstek, a po znalezieniu wygodnej i ogólnej strategii dołączania ich do interfejsu, konfiguracja może zostać ustandaryzowana (sami autorzy, na przykład, wykorzystują fuzję błony wirusa do dołączania funkcji biologicznych do powierzchni mikrocząstek – „Virus-Engineered Colloidal Particles – A Surface Display System” ). Wytwarzanie szerokiej gamy funkcjonalizowanych powierzchni staje się możliwe dzięki połączeniu potencjału wirusów do kombinatorycznego wyświetlania powierzchni i ogólnej strategii mocowania powierzchni. „

Donath i Fischlechner opisują dwa podstawowe podejścia do modyfikowania nanocząstek wirusa w celu uzyskania pożądanej funkcjonalności: modyfikację chemiczną i inżynierię genetyczną.

Podejścia biologii chemicznej i molekularnej do inżynierii powierzchni wirusów. Opisane techniki można również łączyć. (Przedruk za zgodą Wileya)

„Wykorzystując różne dostępne techniki kowalencyjnego sprzęgania cząsteczek z białkami, wirusy mogą być wykorzystywane jako platforma do zdefiniowanych przestrzennie chemicznych modyfikacji powierzchni” – mówi Fischlechner. „Zaletą stosowania wirusów zamiast sztucznych nanocząstek jest określona liczba i orientacja dostępnych grup funkcyjnych na ich powierzchni. Daje to możliwość uporządkowania różnych funkcji chemicznych z nanoskalową precyzją. „

Wykorzystanie wirusów jako platformy nanotechnologicznej

Koncepcja wykorzystania wirusów jako platformy syntezy może być zatem postrzegana jako oparty na nanocząsteczkach odpowiednik 3D metod nanotechnologicznych stosowanych do układania cząsteczek w dwóch wymiarach. Wirusy zostały już wykorzystane jako rusztowania do metalizacji lub wzrostu minerałów, w wyniku czego powstały metalizowane lub zmineralizowane bloki budulcowe. Wirusy mogą być również wykorzystywane jako nanoklady do uwięzienia substancji.

„Jednak prawdziwa moc wykorzystania systemów wirusowych wynika z ich wyjątkowej jakości jako nanokompozytów, które przenoszą wszystkie niezbędne informacje do produkcji ich składników w komórce gospodarza” – mówi Donath. „Pozwala to na wyświetlanie specyficznych polipeptydów na powierzchni wirusa poprzez inżynierię sekwencji wirusowego kwasu nukleinowego wewnątrz. Najprostszą koncepcją inżynieryjną mającą na celu modyfikację powierzchni wirusa jest zatem modyfikacja kodu genetycznego samego genomu wirusa. Jeśli się powiedzie, produkt będzie genetycznie zmodyfikowanym wirusem, który nadal jest w stanie się replikować. „

Autorzy wyjaśniają szczegółowo, w jaki sposób wirusy reprezentują złożone nanocząstki, które oferują wiele stopni swobody w projektowaniu ich właściwości powierzchniowych. Można to osiągnąć za pomocą technik opartych na koniugacji chemicznej lub metod inżynierii genetycznej.

„Technologie wirusów oparte na projektowaniu kodu genetycznego prawdopodobnie odnotują gwałtowny rozwój w najbliższej przyszłości” – mówi Donath. „Inżynieria genetyczna ma wyraźną analogię do produkcji oprogramowania, ponieważ fragmenty kodu można pomnożyć niskim kosztem, połączyć w sztuczny genom, a następnie przetworzyć w maszynerii komórkowej. Repozytoria standardowych (genetycznych) bloków budulcowych gotowych do dostosowania do specjalnych potrzeb zostaną wkrótce utworzone. „

Dochodzi do wniosku, że ostatnie osiągnięcia w dziedzinie mikrofluidyki z pewnością przyczynią się do równoległej produkcji wirusów inżynierii powierzchniowej przy niskich kosztach i dużej różnorodności funkcji.

„Chociaż ta dziedzina jest wciąż w powijakach, automatyczna równoległa produkcja bloków budulcowych wirusa wydaje się możliwa, gdy weźmie się pod uwagę ostatnie postępy, od manipulacji DNA opartego na chipach po techniki hodowli komórkowych” – podsumowuje Donath.

Przez Michael Berger Michael jest autorem trzech książek Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology,
Nanotechnology: The Future is Tiny i
Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible
Copyright © Nanowerk Sp. z o.o.