Materiaalwetenschappers hebben het recept geschreven over hoe je een excentriek enzym kunt gebruiken om nieuwe biomaterialen uit DNA te bouwen. Het werk biedt instructies voor onderzoekers over de hele wereld om zelfassemblerende moleculen te bouwen voor toepassingen variërend van medicijnafgifte tot nanodraden.

De moleculaire machinerie van het menselijk lichaam is meestal afhankelijk van genetische sjablonen om de constructie uit te voeren. Bijvoorbeeld, moleculaire machines die DNA-polymerasen worden genoemd, lezen DNA base-by-base om nauwkeurige kopieën te maken.

Er zijn, echter, een paar zwarte schapen in de wereld van de moleculaire biologie die geen sjabloon nodig hebben. Een dergelijke uitschieter, terminale deoxynucleotidyltransferase (TdT) genoemd, werkt in het immuunsysteem en katalyseert de matrijsvrije toevoeging van nucleotiden - de bouwstenen van DNA - aan een enkelstrengs DNA.

Schijnbaar willekeurige nucleotidesequenties in een enkele DNA-streng lijken niet veel biologisch nut te hebben, maar materiaalwetenschappers hebben ontdekt wat ze ermee moeten doen.

In een nieuwe krant Onderzoekers van Duke University bouwen voort op hun eerdere werk en beschrijven nu in detail hoe het TdT-enzym nauwkeurige, hoog molecuulgewicht, synthetische biomoleculaire structuren veel gemakkelijker dan de huidige methoden. Onderzoekers kunnen de synthese aanpassen om enkelstrengs DNA te creëren dat zichzelf assembleert tot balachtige containers voor medicijnafgifte of om onnatuurlijke nucleotiden op te nemen om toegang te bieden tot een breed scala aan medisch bruikbare vaardigheden.

De resultaten verschijnen online op 15 mei, 2017 in het journaal Internationale editie van Angewandte Chemie .

"We zijn de eersten die laten zien hoe TdT sterk gecontroleerde enkelvoudige DNA-strengen kan bouwen die zichzelf kunnen assembleren tot grotere structuren, " zei Stefan Zauscher, de familie Sternberg hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de Duke University. "Vergelijkbare materialen kunnen al gemaakt worden, maar het proces is lang en ingewikkeld, meerdere reacties vereisen. We kunnen het in een fractie van de tijd in een enkele pot doen."

TdT heeft voordeel ten opzichte van typische, synthetische ketenopbouwende reacties in die zin dat het nucleotiden blijft toevoegen aan het einde van de groeiende keten zolang ze beschikbaar zijn. Dit opent een enorme ontwerpruimte voor materiaalwetenschappers.

Omdat de enzymen allemaal in hetzelfde tempo werken en nooit stoppen, de resulterende DNA-strengen liggen allemaal heel dicht bij elkaar - een belangrijke eigenschap voor het beheersen van hun mechanische eigenschappen. Het nooit eindigende proces betekent ook dat onderzoekers TdT elke nucleotide die ze willen, zelfs onnatuurlijke, kunnen forceren, simpelweg door geen andere opties te bieden.

"Je lichaam maakt strengen DNA uit slechts vier nucleotiden - adenine, guanine, cytosine en uracil, " zei Chilkoti, de Alan L. Kaganov Professor en voorzitter van de afdeling biomedische technologie van Duke. "Maar we kunnen synthetische nucleotiden maken en het enzym dwingen om ze op te nemen. Dit opent veel deuren bij het maken van op DNA gebaseerde polymeren voor verschillende toepassingen."

Bijvoorbeeld, onnatuurlijke nucleotiden kunnen moleculen bevatten die zijn ontworpen om "klikchemie" te vergemakkelijken - waardoor de aanhechting van een hele reeks biomoleculen mogelijk wordt. Onderzoekers kunnen het bouwproces ook starten met een fundering gemaakt van een specifieke DNA-sequentie, een aptamer genoemd, die zich kunnen richten op specifieke eiwitten en cellen.

"Dit enzym bestaat al tientallen jaren, maar dit is de eerste keer dat iemand deze concepten in kaart heeft gebracht in een blauwdruk voor het synthetiseren van een hele nieuwe familie van polynucleotiden, "zei Zauscher. "In het verleden, biochemici zijn grotendeels geïnteresseerd in wat TdT doet in het menselijke immunologische systeem en hoe het dat doet. Dat interesseert ons allemaal niet, we zijn gewoon geïnteresseerd in welke materiële bouwstenen we ermee kunnen maken. En de precisie waarmee we met dit enzym polymeren kunnen maken is eigenlijk best uitzonderlijk."