In een internationale samenwerking tussen universiteiten in Finland, Australië en de Universiteit Twente, slaagden onderzoekers om de eiwitmantels van plantenvirussen te herprogrammeren in verschillende vormen. Hiervoor vouwden ze DNA op de nanoschaal om te dienen als mal waar de eiwitmantels zich omheen vormden. Ze publiceerden hun resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Nanotechnology.
Om medicijnen goed te kunnen vervoeren in het lichaam heb je een goede verpakking nodig. De eiwitmantels van virussen hebben de potentie, maar hun vorm wordt voornamelijk bepaald door de genetische eigenschappen van het virus. Daarom ontwikkelen onderzoekers technieken om de vorm en grootte van deze nanoverpakkingen te controleren. Zodat ze de gewenste vorm krijgen.
DNA origami
De onderzoekers maakten gebruik van ‘DNA origami’-structuren. Die structuren hebben een omvang van slechts tientallen tot honderden nanometers en zijn volledig gemaakt van DNA. Door het DNA heel precies in de gewenste vorm te vouwen, creëer je een sjabloon waaraan de viruseiwitten zich kunnen hechten. “Het is net als echte origami waarin je plat papier gebruikt om in 3D hele interessante bouwwerken te maken. Alleen doen we dat hier met heel stevig DNA”, vertelt Jeroen Cornelissen.
De viruseiwitten bleken uiteindelijk veel flexibeler dan van tevoren gedacht. “Het lukte om verschillende structuren met een eiwitmantel te maken: rechte buizen, maar bijvoorbeeld ook een donut. Die laatste is een bijna compleet tegenovergestelde vorm van de bolstructuur die de eiwitmantel normaal heeft”, aldus Cornelissen. Het is een simpele, maar erg effectieve strategie om de viruseiwitten verschillende vormen aan te meten.
Cryogene elektronenmicroscopie
Met behulp van cryogene elektronenmicroscopie brachten de onderzoekers de vorming van de nanostructuren heel precies in beeld; tot op het niveau van individuele moleculen. Bij een temperatuur van rond de -200 graden Celsius lukte het om de kleinste aanpassingen te meten. Het is voor het eerst dat de sterk geordende eiwitten op deze manier in beeld zijn gebracht.
De onderzoekers zien veel potentie in de techniek. “Onze aanpak is flexibel en niet beperkt tot één type eiwit, zoals we laten zien met eiwitten van vier verschillende virussen. Bovendien kunnen we de sjablonen aanpassen voor meer verschillende toepassingen, bijvoorbeeld door RNA in de origami te integreren. Aan het RNA kunnen nuttige of plaatsgebonden eiwitten zich hechten voor nog complexere vormen en eigenschappen", legt Aalto professor Mauri Kostiainen uit.
Dit werk is gezamenlijk uitgevoerd aan de Aalto Universiteit (Finland) met onderzoekers van de Universiteit van Helsinki (Finland), Griffith University (Australië), Tampere University (Finland) en Universiteit Twente (Nederland). “Het is het resultaat van een jarenlange samenwerking tussen onze universiteit en de groep van Prof. Kostiainen”, vertelt Cornelissen.
Meer informatie
Prof. Dr. Jeroen Cornelissen is hoogleraar in het Departement voor Molecules & Materials in de vakgroep Biomolecular Nanotechnology (MolMat; Faculteit TNW/MESA+). Het onderzoek getiteld, DNA-origami-directed virus capsid polymorphism is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Nanotechnology.
