[논문 리뷰] Growth and site-specific organization of micron-scale biomolecular devices on living mammalian cells

Sisi Jia, Siew Cheng Phua외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 19.

Advanced biosensing and bioanalysis techniques참고 문헌 69인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 수용체 표적으로 한 DNA 옹기드로미 시드를 이용해 살아있는 체세포에 고유한 위치에서 고정시키고 동적으로 성장시키는 DNA 나노튜브 필라멘트를 구현한다. 고정된 나노튜브는 0–2 dyn/cm² 범위의 비틀림 응력 센서로 작용하며, 세포 내에서 현장에서 성장하여 기계적 힘을 실시간으로 모니터링하고 세포 구조에 동적 제어로 통합할 수 있다.

ABSTRACT

Mesoscale molecular assemblies on the cell surface, such as cilia and filopodia, integrate information, control transport and amplify signals. Synthetic devices mimicking these structures could sensitively monitor these cellular functions and direct new ones. The challenges in creating such devices, however are that they must be integrated with cells in a precise kinetically controlled process and a device's structure and its precisely structured cell interface must then be maintained during active cellular function. Here we report the ability to integrate synthetic micro-scale filaments, DNA nanotubes, into a cell's architecture by anchoring them by their ends to specific receptors on the surfaces of mammalian cells. These filaments can act as shear stress meters: how anchored nanotubes bend at the cell surface quantitatively indicates the magnitude of shear stresses between 0-2 dyn per cm2, a regime important for cell signaling. Nanotubes can also grow while anchored to cells, thus acting as dynamic components of cells. This approach to cell surface engineering, in which synthetic biomolecular assemblies are organized within existing cellular architecture, could make it possible to build new types of sensors, machines and scaffolds that can interface with, control and measure properties of cells.

연구 동기 및 목표

• 살아있는 체세포 표면에 인공 미크론 크기의 생분자 장치를 고유 위치에서 동적 제어로 통합하는 방법을 개발하는 것.
• 큰 DNA 나노튜브를 세포에 고정시키는 데 있어 비특이적 결합을 최소화하고 높은 목표 침착 효율을 달성하는 데 도전 과제를 해결하는 것.
• 제어된 단량체 공급에 반응하여 고정된 나노튜브의 성장을 가능하게 하여 동적 재구성 가능성을 확보하는 것.
• 세포에 고정된 나노튜브가 생리학적으로 관련된 범위(0–2 dyn/cm²) 내에서 정량적 비틀림 응력 센서로 기능할 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 특정 세포 표면 수용체(예: EGFR)를 향한 엔지니어링된 리간드-수용체 쌍을 이용해 기능화된 끝을 가진 DNA 옹기드로미 기반 나노튜브 시드를 사용.
• 나노튜브 단량체와 시드의 PEG화를 통해 세포막과의 비특이적 상호작용을 억제.
• EGFR 특이적 AMDA(항체 모방 도메인)를 사용해 HeLa 세포에 고친도, 고유 위치에서의 나노튜브 시드 고정을 실현.
• 정밀한 비틀림 응력(0–2 dyn/cm²)을 가해주는 마이크로유체 챔버에서 레이저 공명 현미경을 이용해 시간에 따라 변화하는 나노튜브 굽힘을 측정.
• 고정된 시드에 활성화된 단량체를 첨가하여 현장에서 나노튜브 성장을 유도하고, 형광 영상 및 시간에 따른 추적을 통해 모니터링.
• 최대 강도 투영 및 시간에 따른 시드와 필라멘트 수의 수동 추적을 통해 나노튜브 동역학을 정량화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 살아있는 체세포 표면의 특정 수용체에 비특이적 결합을 최소화하면서 안정적으로 고정된 DNA 나노튜브를 부착할 수 있는가?
• RQ2 고정된 DNA 나노튜브는 단량체 공급에 반응하여 동적으로 성장하면서 세포 표면에 고정된 상태를 유지할 수 있는가?
• RQ3 세포에 고정된 나노튜브의 굽힘이 생리학적으로 관련된 범위(0–2 dyn/cm²) 내에서 비틀림 응력을 정량적으로 보고할 수 있는가?
• RQ4 이 시스템은 다양한 세포 표면 수용체를 표적으로 삼을 수 있으며, 활성 세포 과정 중에도 功能적 통합을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 64 pM 농도에서 HeLa 세포당 평균 107±17개의 DNA 나노튜브 시드가 부착되었으며, PEG 코팅 시 비특이적 결합이 검출되지 않았다.
• PEG 코팅된 나노튜브(단량체 및 시드)는 세포에 부착되지 않아 비특이적 상호작용 억제 효과가 효과적으로 입증되었다.
• EGFR를 통해 고정된 나노튜브는 유속 하에서 측정 가능한 굽힘이 발생했으며, 총 회전 각도가 비틀림 응력(0–2 dyn/cm²)과 상관관계를 보였다.
• 고정된 시드에서의 현장에서의 나노튜브 성장이 관찰되었으며, 4시간 후에 시드 나노튜브와 성장 중인 필라멘트 사이의 결합 사건의 수율은 0.6%였다.
• 세포 표면에서 나노튜브의 동적 재구성이 가능했으며, 필라멘트 길이가 3 µm 이상으로 성장하면서도 구조적 안정성을 유지했다.
• 비틀림 응력 센서 기능은 정량적이었으며, 나노튜브 굽힘 각도는 적용된 비틀림 응력과 선형 상관관계를 보여 기계적 센서로서의 정당성을 입증했다.