Okazuje się, że zespół badawczy z Japonii opracował przełomową technikę opartą na nanocząstkach srebra, która radykalnie zwiększa precyzję i efektywność cięcia oraz ponownego łączenia DNA w docelowych miejscach. To osiągnięcie, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Nucleic Acids Research”, może zrewolucjonizować inżynierię genetyczną i otworzyć drzwi do nowych terapii i technologii.
Wyzwanie precyzyjnej inżynierii genetycznej
DNA to niezwykle długa nić, zawierająca instrukcje niezbędne do wzrostu i funkcjonowania wszystkich organizmów. W inżynierii genetycznej, badacze wycinają DNA w wybranych miejscach i dołączają te fragmenty do innych sekwencji. Pozwala to na tworzenie ulepszonych odmian roślin, leczenie chorób genetycznych czy opracowywanie modeli zwierzęcych wykorzystywanych w odkrywaniu leków. Kluczowym elementem tego procesu są tak zwane „lepkie końcówki” – krótkie, zwisające sekwencje, które ułatwiają przyłączanie fragmentów DNA. Jednak ich precyzyjne tworzenie w ściśle określonych miejscach pozostawało dotychczas trudne.
Czytaj także: Nanocząstki metalu ujawniają kwantową naturę. Rekordowy test w skali makro
Ograniczenia konwencjonalnych metod
Tradycyjnie, do składania długich łańcuchów DNA wykorzystuje się enzymy restrykcyjne do cięcia DNA i ligazę DNA T4 do łączenia fragmentów. Problem polega na tym, że enzymy restrykcyjne rozpoznają tylko specyficzne sekwencje i często wytwarzają lepkie końcówki, które są zbyt krótkie, co obniża wydajność łączenia. Te ograniczenia sprawiają, że cały proces jest mniej efektywny, niż byśmy sobie tego życzyli.
Od jonów srebra do nanocząstek: chemiczne cięcie DNA
Aby przezwyciężyć te wyzwania, profesor Hiroshi Abe i asystent profesor Masahito Inagaki z Uniwersytetu Nagoja, współpracując z profesorem Natsuhisą Oką z Uniwersytetu Gifu, postanowili zbadać, czy reakcje chemiczne mogłyby ciąć DNA w pożądanych miejscach, zamiast polegać na enzymach restrykcyjnych.
Zespół skupił się na reakcji zgłoszonej w latach 1990-1992, w której jony srebra cięły DNA zmodyfikowane 3′-tiolowo w określonych punktach. Testy wykazały, że choć jony srebra skutecznie cięły DNA, przyłączały się również niespecyficznie i powodowały wytrącanie się, co skutkowało odzyskiem DNA na poziomie zaledwie około 14% – zbyt mało do praktycznego zastosowania.
Wówczas naukowcy zwrócili się ku nanocząstkom srebra. Argumentowali, że nanocząstki można by oddzielić po reakcji poprzez wirowanie, co mogłoby znacznie poprawić odzysk DNA.
Innowacja: Srebrne nanocząstki z powłoką PEG
Początkowe testy wykazały, że wydajność cięcia DNA osiągała około 50% przy 70°C i niemal 100% przy 95°C w ciągu dwóch godzin. Jednak tak wysokie temperatury mogły uszkodzić długie łańcuchy DNA.
Rozwiązaniem okazało się powleczenie nanocząstek srebra glikolem polietylenowym (PEG) – rozpuszczalnym w wodzie polimerem, który poprawia stabilność i dyspersję. Dzięki PEG, wydajność cięcia wzrosła z 36% do 92% przy 37°C w ciągu 31 godzin. Jak wyjaśnił Inagaki, pierwszy autor badania: „Ostatecznie zoptymalizowaliśmy warunki do praktycznego poziomu i, w temperaturze otoczenia, osiągnęliśmy wydajność cięcia zmodyfikowanego PEG powyżej 91% przy 50°C w zaledwie jedną do dwóch godzin”.
Co równie ważne, ta metoda usunęła niepożądane fragmenty DNA, które pozostały przyłączone do powierzchni nanocząstek, pozostawiając pożądane fragmenty z lepkimi końcówkami w roztworze. To spowodowało podniesienie końcowego wskaźnika odzysku DNA z początkowych 14% do imponujących 98%!
Niespotykana precyzja i wydajność łączenia
Nanocząstki srebra umożliwiły również tworzenie fragmentów DNA z 8-zasadowymi lepkimi końcówkami, które są niezwykle trudne do uzyskania przy użyciu standardowych enzymów restrykcyjnych. Kiedy badacze użyli ligazy DNA T4 do połączenia tych fragmentów, wydajność łączenia była dwukrotnie wyższa niż w przypadku tradycyjnych metod. Co więcej, przy 18-zasadowej przewieszce, wydajność osiągnęła 44%, w porównaniu do 8% dla konwencjonalnej 4-zasadowej przewieszki – co stanowi pięciokrotny wzrost!
Czytaj także: Nanocząstki, które samoczynnie tworzą kryształy. To pierwsze takie nagranie
Aby sprawdzić, czy metoda sprawdzi się w praktyce, naukowcy złożyli fragment DNA kodujący zielone białko fluorescencyjne (GFP) i wprowadzili go do ludzkich komórek HeLa. Ekspresja GFP została skutecznie wykryta, co udowodniło, że DNA zostało dokładnie złożone.
Przyszłość edycji genów staje się jaśniejsza
„Wierzymy, że ta technologia będzie przydatna do syntezy genomowego DNA, z wieloma możliwymi zastosowaniami w obszarach takich jak tworzenie bibliotek mRNA dla szczepionek przeciwnowotworowych i terapii genowej, a także rozwój sztucznych leków białkowych i upraw genomowych” – skomentował Inagaki. Dodał również, że kolejnym krokiem będzie potwierdzenie możliwości łączenia wielu fragmentów jednocześnie, co jest kluczowe dla budowania DNA w skali genomu.
To osiągnięcie to przełom, na który czekaliśmy w inżynierii genetycznej. Zapewniając bezprecedensową precyzję i wydajność w cięciu i łączeniu DNA, nanocząstki srebra mogą znacząco przyspieszyć rozwój nowych technologii i terapii, które dotąd wydawały się odległe.
Artykuł zatytułowany „Silver nanoparticle-induced site-specific strand cleavage of chemically modified oligonucleotides for long-chain DNA assembly” ukazał się 11 czerwca 2026 roku w prestiżowym czasopiśmie „Nucleic Acids Research”. Badania prowadzili Profesor Hiroshi Abe i Asystent Profesor Masahito Inagaki z Uniwersytetu Nagoja, we współpracy z Profesorem Natsuhisą Oką z Uniwersytetu Gifu.
