Membrane scission is essential for intracellular trafficking. While BAR domain proteins such as endophilin have been reported in dynamin-independent scission of tubular membrane necks, the cutting mechanism has yet to be deciphered. Here, we combine a theoretical model, in vitro, and in vivo experiments revealing how protein scaffolds may cut tubular membranes. We demonstrate that the protein scaffold bound to the underlying tube creates a frictional barrier for lipid diffusion; tube elongation thus builds local membrane tension until the membrane undergoes scission through lysis. We call this mechanism friction-driven scission (FDS). In cells, motors pull tubes, particularly during endocytosis. Through reconstitution, we show that motors not only can pull out and extend protein-scaffolded tubes but also can cut them by FDS. FDS is generic, operating even in the absence of amphipathic helices in the BAR domain, and could in principle apply to any high-friction protein and membrane assembly.

Designing programmable biomaterials that could act as extracellular matrices and permit functionalization is a current need for tissue engineering advancement. DNA based hydrogels are gaining significant attention owing to their self-assembling properties, biocompatibility, chemical robustness and low batch to batch variability. The real potential of DNA hydrogels in the biomedical domain remains to be explored. In this work, a DNA hydrogel was coated on a glass surface and coupled to a synthetic IKVAV peptide by a chemical crosslinker. We observe enhanced neuronal differentiation, prolonged neurite length, dynamic movement of microtubules and cytoskeleton, and altered endocytic mechanisms in neuroblastoma-based stem cells for the peptide modified DNA hydrogel compared to the unmodified DNA hydrogel and controls. We anticipate that a peptide-modified DNA hydrogel could emerge as a promising scaffold coating material to develop nerve tissue conduits in the future for application in neuroscience and neuroregeneration.

The broad area of neuroscience has witnessed an increasing exploitation of a variety of synthetic biomaterials with controlled nanosized features. Different bionanomaterials offer very peculiar physicochemical and biochemcial properties contributing to the development of novel imaging devices toward imaging the brain, or as smartly functionalized scaffolds, or diverse tools contributing toward a better understanding of nervous tissue and its functions. DNA nanotechnology-based devices and scaffolds have emerged as ideal materials for cellular and tissue engineering due to their very biocompatible properties, robust adaptation with diverse biological systems, and biosafety in terms of reduced immune response triggering. Here we present technologies with respect to DNA nanodevices that are designed to better interact with nervous systems like neural cells, advanced molecular imaging technologies for imaging brain, biomaterials in neural regeneration, neuroprotection, and targeted delivery of drugs and small molecules across the blood–brain barrier. Along with comments regarding the progress of DNA nanotechnology in neuroscience, we also present a perspective on challenges and opportunities for applying DNA nanotechnology in applications pertaining to neurosciences.

Multiple endocytic pathways operate on the plasma membrane of cells at any moment with diverse but specific cellular functions. Knowledge of uptake of synthetic nanoparticles and ligands with respect to endocytic pathways is crucial to device the appropriate ligands for therapeutic delivery into differentiated neurons for targeting neuronal diseases. We herein explore the mechanisms of cellular uptake of 3D tetrahedral DNA nanocages at different stages of differentiating neurons. We monitored the uptake, kinetics, and dynamics of DNA cages of different geometries, and interestingly we find a specific pattern and adaptability of the uptake of DNA devices with respect to the geometry of the ligand and specific endocytic pathways. We find that tetrahedral DNA nanocages get endocytosed mostly via clathrin-mediated endocytosis in fully mature neurons. This endocytic uptake and intracellular choreography of DNA nanodevices will help us design the smartly targeted biotherapeutics for targeting neuronal disorders.

Alpha-synuclein (α-Syn), an intrinsically disordered protein (IDP), is associated with neurodegenerative disorders, including Parkinson's disease (PD or other α-synucleinopathies. Recent investigations propose the transmission of α-Syn protein fibrils, in a prion-like manner, by entering proximal cells to seed further fibrillization in PD. Despite the recent advances, the mechanisms by which extracellular protein aggregates internalize into the cells remain poorly understood. Using a simple cell-based model of human neuroblastoma-derived differentiated neurons, we present the cellular internalization of α-Syn PFF to check cellular uptake and recycling kinetics along with the standard endocytic markers Transferrin (Tf) marking clathrin-mediated endocytosis (CME) and Galectin3 (Gal3) marking clathrin-independent endocytosis (CIE). Specific inhibition of endocytic pathways using chemical inhibitors reveals no significant involvement of CME, CIE and caveolae-mediated endocytosis (CvME). A substantial reduction in cellular uptake was observed after perturbation of actin polymerization and treatment with macropinosomes inhibitor. Our results show that α-Syn PFF mainly internalizes into the SH-SY5Y cells and differentiated neurons via the macropinocytosis pathway. The elucidation of the molecular and cellular mechanism involved in the α-Syn PFF internalization will help improve the understanding of α-synucleinopathies including PD, and further design specific inhibitors for the same.

The delaminated MXene (2D MXene) and DNA hydrogel created enormous opportunities due to their versatility and ability to be tailored for specific applications. MXene offers high aspect ratio morphology and electrical conductivity, while DNA provides stimuli responsiveness and specificity in binding to ligands or complementary sequences. This synergy makes DNA an ideal actuator when combined with 2D MXenes. Present work makes the first effort to combine and exploit them for detecting the thrombin levels; a crucial proteolytic enzyme that plays a pivotal role in regulating blood clotting by cleaving fibrinogen into fibrin and plays a critical role in bleeding disorders such as Haemophilia and Von Willebrand disease. This study introduces a novel hybrid DNA hydrogel by leveraging the properties of 2D MXene with a thiol-modified thrombin binding aptamer (TBA) as a crosslinking agent. The TBA and its complementary DNA oligos are immobilized on 2D MXene sheets, forming a packed hydrogel. Upon thrombin binding, the TBA releases its complementary DNA, resulting in a loosened hydrogel and a change in resistance, which is used as a read-out for thrombin detection. The concept is successfully demonstrated, achieving 90-92% accuracy in detecting thrombin in artificial samples. This robust technique holds promise for biomedical sensing devices, allowing customization for the detection of various target molecules using specific aptamers.

Abstract We present a new class of nitrogen-doped yellow fluorescent carbon dots, synthesized using a one-step hydrothermal method. These bright fluorescent nanoparticles have excitation and emission spectra near the red region of the visible light spectrum that are quite useful for bioimaging applications. Using organic molecules like ortho- phenylenediamine (OPDA), L-ascorbic acid and urea, yellow fluorescent carbon dots (CDs) were synthesized. We obtained a scalable number of CDs having an average size of 3 nm. The CDs show significant emission spectra in the yellow fluorescence region (λ em = 557 nm). The CDs show remarkable stability in their fluorescence in different pH conditions, ionic stability, photostability as well as thermal stability. These CDs are efficiently uptaken by mammalian cells through clathrin-mediated pathway. Apart from in vitro studies we have also used zebrafish larvae as a 3D in vivo model, and showed that CDs were uptaken efficiently by larvae showing maximum accumulation and fluorescence in the yolk sac region and the notochord region. The CDs also offer enhancement in cell proliferation, hence showing the application in wound healing. The fluorescence of CDs is quite robust and is not affected by most external stimuli, hence can be explored as a promising bioimaging tool for targeted bioimaging and biomedical applications.

Abstract Fabrication of nanoscale DNA devices to generate 3D nano-objects with precise control of shape, size, and presentation of ligands has shown tremendous potential for therapeutic applications. The interactions between different topologies of 3D DNA nanostructures and the cell membranes are crucial for designing efficient tools for interfacing DNA devices with biological systems. The practical applications of these DNA nanocages are still limited in cellular and biological systems owing to the limited understanding of interactions of different surface topologies of DNA nanodevices with cell membranes. The correlation between the geometry of DNA nanostructures and their internalization efficiency remains elusive. We investigated the influence of the shape and size of 3D DNA nanostructure on their cellular internalization efficiency. We found that of different geometries designed, one particular geometry, i.e., the tetrahedral shape, is more favoured over other geometries for their cellular uptake in 2D and 3D cell models. This is also replicable for cellular processes like 3D cell invasion assays in 3D spheroid models and passing the epithelial barriers in in-vivo zebrafish model systems. Our work establishes ground rules for the rational designing of DNA nanodevices for their upcoming biological and biomedical applications.

One of the biggest challenges limiting the biological applications of fluorescent carbon-based nanoparticles is their capacity to emit in the red region of the spectrum and simultaneously maintaining the smaller size. These two parameters always go in inverse proportion, thus lagging their applications in biological imaging. Endocytic pathways play important roles in regulating major cellular functions such as cellular differentiation. The Spatio-temporal dynamics of endocytic pathways adopted by various ligands (including nanoparticles) over longer durations in cellular differentiation remain unstudied. Here we have used red-emitting fluorescent carbon nanoparticles to study the endocytic pathways in neuronal cells at different stages of differentiation. These small-sized, bright, red-emitting carbon nanoparticles (CNPs) can be internalized by live cells and imaged for extended periods, thus capturing the Spatio-temporal dynamics of endocytic pathways in model SH-SY5Y derived neuroblastoma neurons. We find that these nanoparticles are preferably taken up via clathrin-mediated endocytosis and follow the classical recycling pathways at all the stages of neuronal differentiation. These nanoparticles hold immense potential for their size, composition, surface and fluorescence tunability, thus maximizing their applications in spatio-temporally tracking multiple cellular pathways in cells and tissues simultaneously.