DNA로 만든 나노로봇, 진단을 위해 바이러스를 잡아 세포 진입 차단

일리노이 대학교 어바나-샴페인 연구원들은 단일 DNA 조각에서 접힌 작은 네 손가락 "손"이 코로나-19를 유발하는 바이러스를 집어 올려 매우 민감한 신속한 검출을 할 수 있으며, 심지어 바이러스 입자가 세포에 침입하여 감염되는 것을 차단할 수도 있다고 보고했다. 나노그리퍼(NanoGripper)라는 이름의 나노로봇 손은 다른 바이러스와 상호 작용하거나 암 치료와 같은 표적 약물 전달을 위한 세포 표면 마커를 인식하도록 프로그래밍할 수도 있다.

일리노이 대학교의 생명공학 및 화학 교수인 싱 왕(Xing Wang)이 이끄는 연구원들은 저널 Science Robotics에 그들의 발전 사항을 설명했다.

인간 손과 새 발톱의 그립력에서 영감을 얻은 연구원들은 단일 DNA 조각에서 접힌 하나의 나노 구조에 네 개의 구부러지는 손가락과 손바닥이 있는 나노그리퍼를 설계했다. 각 손가락에는 인간 손가락처럼 세 개의 관절이 있으며, 구부러지는 각도와 정도는 DNA 스캐폴드의 설계에 따라 결정된다.

인간의 손이나 새의 발톱에서 영감을 받은 나노그리퍼(NanoGripper)는 손가락 4개와 손바닥 1개를 가지고 있으며, 모두 하나의 DNA 조각으로 접혀 있다. 이미지 제공: Xing Wang

"우리는 이전에 본 적이 없는 움켜잡기 기능을 가진 부드러운 소재의 나노스케일 로봇을 만들어서, 생물의학적 응용을 위해 세포, 바이러스 및 기타 분자와 상호 작용하고 싶었다."라고 왕은 말했다. "우리는 구조적 특성 때문에 DNA를 사용하고 있다. DNA는 강하고 유연하며 프로그래밍이 가능하다. 하지만 DNA 오리가미 분야에서도 이는 설계 원리 측면에서 참신하다. 우리는 긴 DNA 가닥 하나를 앞뒤로 접어서 정적 및 이동 조각 모두의 모든 요소를 ​​한 단계로 만든다."

손가락에는 DNA 앱타머라는 영역이 들어 있는데, 이 영역은 분자 표적(이 첫 번째 응용 프로그램의 경우 코로나-19를 유발하는 바이러스의 스파이크 단백질)에 결합하도록 특별히 프로그래밍되어 손가락이 구부러져 표적을 감싸도록 한다. 손목이 있는 반대편에서 나노그리퍼(NanoGripper)는 감지 또는 약물 전달과 같은 생물의학적 응용 프로그램을 위해 표면이나 다른 더 큰 복합체에 부착할 수 있다.

코로나-19 바이러스를 감지하는 센서를 만들기 위해 왕의 팀은 바이오센싱을 전문으로 하는 일리노이 전기 및 컴퓨터 공학 교수 브라이언 커닝햄이 이끄는 그룹과 협력했다. 그들은 나노그리퍼(NanoGripper)를 광자 결정 센서 플랫폼과 결합하여 병원에서 사용하는 금본위 qPCR 분자 검사의 감도와 일치하는 30분짜리 코로나-19 검사를 빠르게 만들어냈다. 이 검사는 재택 검사보다 정확하지만 시간이 훨씬 더 오래 걸린다.

커닝햄은 "우리의 검사는 손상되지 않은 바이러스를 직접 감지하기 때문에 매우 빠르고 간단하다."라고 말했다. "바이러스를 나노그립퍼(NanoGripper)의 손에 쥐고 있으면 형광 분자가 작동하여 LED나 레이저로 비추면 빛이 방출된다. 많은 수의 형광 분자가 단일 바이러스에 집중되면 감지 시스템에서 각 바이러스를 개별적으로 셀 수 있을 만큼 밝아진다."

왕은 진단 외에도 나노그리퍼(NanoGripper)는 바이러스가 세포에 침입하여 감염되는 것을 차단하여 예방 의학에 응용할 수 있다고 말했다. 연구원들은 나노그리퍼(NanoGripper)를 코로나-19에 노출된 세포 배양에 첨가했을 때 여러 개의 그리퍼가 바이러스 외부를 감싼다는 것을 발견했다. 이는 바이러스 스파이크 단백질이 세포 표면의 수용체와 상호 작용하는 것을 차단하여 감염을 예방했다.

왕은 "사람이 감염된 후에는 적용하기 매우 어려울 것이지만 예방 치료제로 사용할 수 있는 방법이 있다."라고 말했다. "항바이러스 비강 스프레이 화합물을 만들 수 있다. 코는 코로나나 독감과 같은 호흡기 바이러스의 핫스팟이다. 나노그리퍼가 포함된 비강 스프레이는 흡입된 바이러스가 코의 세포와 상호 작용하는 것을 방지할 수 있다."

왕은 나노그리퍼가 인플루엔자, HIV 또는 B형 간염과 같은 다른 바이러스를 표적으로 삼도록 쉽게 설계될 수 있다고 말했다. 또한 왕은 NaoGripper를 표적 약물 전달에 사용할 것을 구상하고 있다. 예를 들어, 손가락은 특정 암 마커를 식별하도록 프로그래밍될 수 있으며, 그리퍼는 암과 싸우는 치료제를 표적 세포로 직접 운반할 수 있다.

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