DNA製ナノロボットハンドがウイルスをつかみ、細胞への侵入を阻止

May, 16, 2025, CHAMPAIGN, Ill.--1つの DNA から折りたたまれた小さな 4 本指の「手」は、COVID-19 の原因となるウイルスを拾い上げて高感度の迅速な検出を行い、ウイルス粒子が細胞に侵入して感染するのを防ぐことができると、イリノイ大学アーバナ シャンペーン校(University of Illinois Urbana-Champaign)の研究者らは報告している。NanoGripperと名付けられたこのナノロボットハンドは、他のウイルスと相互作用するようにプログラムしたり、ガン治療などの標的薬物送達のための細胞表面マーカーを認識したりすることも可能だ。

アイオワ大学(U. of I)の生物工学/化学の教授Xing Wangが率いる研究者たちは、ジャーナルScience Roboticsでその進歩について説明している。

人間の手と鳥の爪の握力に触発されて、研究チームは、4本の曲げ可能な指と手のひらを、1つのDNAピースから折りたたまれた1つのナノ構造にしたNanoGripperを設計した。各指には人間の指のように3つの関節があり、曲げる角度と程度はDNAスカフォールド上のデザインによって決まる。

「われわれは、これまでにないグラブ機能を持つソフトマテリアルのナノスケールロボットを作りたかった。これは、細胞、ウイルス、その他の分子と相互作用して生物医学的応用を可能にするためである。われわれは、その構造特性にDNAを使用している。それは強く、柔軟性があり、プログラム可能である。しかし、DNAオリガミの分野でも、これはデザイン原理の点で斬新だ。DNAの長い鎖を前後に折りたたんで、静止している部分と動いている部分の両方のすべての要素を1つのステップで作成する」とWangは説明している。

指にはDNAアプタマーと呼ばれる領域が含まれており、分子標的(この最初のアプリケーションではCOVID-19を引き起こすウイルスのスパイクタンパク質)に結合するように特別にプログラムされており、指が曲がってターゲットを包み込むように引き起こされる。手首がある反対側では、NanoGripperは、センシングや薬物送達などの生物医学的アプリケーションのために、表面やその他のより大きな複合体に取り付けることができる。

COVID-19ウイルスを検出するセンサを作成するために、Wangのチームは、バイオセンシングを専門とするイリノイ大学の電気およびコンピュータ工学教授Brian Cunninghamが率いるグループと提携した。チームは、NanoGripperとフォトニッククリスタルセンサプラットフォームを組み合わせて、病院で使用されるゴールドスタンダードのqPCR（Quantitative Polymerase Chain Reaction）分子検査の感度に匹敵する30分間の迅速なCOVID-19検査を作成した。

「われわれの検査は、無傷のウイルスを直接検出するため、非常に迅速かつ簡単である。ウイルスをNanoGripperの手に持つと、LEDやレーザで照射されると蛍光分子が引き起こされ、光が放出される。1つのウイルスに多数の蛍光分子が集中すると、検出システムでは各ウイルスを個別にカウントできるほど明るくなる」とCunninghamは話している。

Wangによると、診断に加えて、NanoGripperはウイルスが細胞に侵入して感染するのをブロックすることにより、予防医学にも応用できる可能性がある。研究チームは、NanoGrippersを細胞培養物に加えてCOVID-19に曝露すると、複数のグリッパーがウイルスの外側を包み込むことを発見した。これにより、ウイルスのスパイクタンパク質が細胞表面の受容体と相互作用するのをブロックし、感染を防いだ。

「人が感染した後にそれを適用することは非常に困難だが、予防的治療薬として使用できる方法がある。抗ウイルス性の点鼻薬化合物を作ることができる。鼻は、COVIDやインフルエンザなどの呼吸器系ウイルスのホットスポットである。NanoGripperを使用した点鼻薬は、吸入したウイルスが鼻の細胞と相互作用するのを防ぐことができる」(Wang)。

Wangによると、NanoGripperは、インフルエンザ、HIV、B型肝炎などの他のウイルスを標的にするように簡単に操作できる。さらに、Wangは、NaoGripperを標的薬物送達に使用することを想定している。例えば、特定のガンマーカーを特定するように指をプログラムしたり、グリッパーでガンと闘う治療を標的細胞に直接運んだりすることができる。

「このアプローチは、この研究で示した数少ない例よりも大きな可能性を秘めている。3D構造、安定性、ターゲティングアプタマーまたはナノボディにはいくつかの調整が必要だが、これを行うためのいくつかの技術を研究室で開発した。もちろん、多くのテストが必要になるが、ガン治療への応用の可能性や診断への感度は、ソフトナノロボティクスの力を示している」とWangは説明している。