DNA is geëvolueerd om genetische informatie op te slaan, maar in principe deze speciale, kettingachtige moleculen kunnen ook worden aangepast om nieuwe materialen te maken. Chemici van The Scripps Research Institute (TSRI) hebben nu een belangrijke demonstratie gepubliceerd van deze herbestemming van DNA om nieuwe stoffen te creëren met mogelijke medische toepassingen.

Floyd Romesberg en Tingjian Chen van TSRI, in een studie die online is gepubliceerd in het chemietijdschrift Angewandte Chemie , toonden aan dat ze verschillende potentieel waardevolle chemische modificaties aan DNA-nucleotiden konden aanbrengen en bruikbare hoeveelheden van het gemodificeerde DNA konden produceren. De chemici demonstreerden hun nieuwe aanpak door een op DNA gebaseerde, waterabsorberende hydrogel die uiteindelijk meerdere medische en wetenschappelijke toepassingen kan hebben.

"DNA heeft een aantal unieke eigenschappen als materiaal, en met dit nieuwe vermogen om het te wijzigen en te repliceren als normaal DNA, we kunnen echt beginnen met het verkennen van enkele interessante potentiële toepassingen, " zei Romesberg, een professor in de chemie aan TSRI.

Het laboratorium van Romesberg heeft de afgelopen tien jaar geholpen bij het pionieren van methoden voor het maken van gemodificeerd DNA, met als uiteindelijk doel het ontwikkelen van waardevolle nieuwe medicijnen, sondes en materialen, zelfs kunstmatige levensvormen. Het team bereikte vorig jaar een belangrijke mijlpaal met een prestatie gerapporteerd in Nature Chemistry:de ontwikkeling van een kunstmatig DNA-polymerase-enzym dat kopieën kan maken van gemodificeerd DNA, net zoals normale DNA-polymerasen normaal DNA repliceren.

De DNA-modificaties die in dat onderzoek werden getest, hadden alleen betrekking op de hechting van fluor- (F) of methoxy (O-CH3) -resten aan de suikerruggengraat van DNA-nucleotiden - modificaties die in principe de eigenschappen van op DNA gebaseerde geneesmiddelen zouden verbeteren. In de nieuwe studie Chen en Romesberg hebben verschillende andere modificaties aangetoond die hun polymerase SFM4-3 kan repliceren en, door dit te doen, opende de deur naar het ontwerp van gemodificeerd DNA voor een veel breder scala aan toepassingen.

Een van de nieuwe aanpassingen voegt een azidogroep (N3) toe, een handig bevestigingspunt voor veel andere moleculen via een relatief eenvoudige reeks technieken genaamd "klikchemie, " pionierde ook bij TSRI. De TSRI-chemici toonden aan dat de SFM4-3-polymerase azido-gemodificeerde nucleotiden met voldoende getrouwheid kan repliceren en strengen van dit gemodificeerde DNA exponentieel kan amplificeren met behulp van een gemeenschappelijke laboratoriummethode, polymerasekettingreactie (PCR). Click-chemie kan vervolgens worden gebruikt om via de azidogroep een van de vele verschillende moleculen aan het DNA toe te voegen.

"Met het azido-DNA en de klikchemie, we waren in staat om zeer gefunctionaliseerd DNA te produceren, inclusief DNA gemodificeerd met een intense concentratie van fluorescerende bakenmoleculen en DNA gemarkeerd met een chemisch handvat genaamd biotine, " zei Chen, die een postdoctoraal onderzoeksmedewerker is in het Romesberg-laboratorium.

De wetenschappers in een meer geavanceerde demonstratie gebruikten klikchemie om meerdere DNA-strengen aan een centraal, azido-gemodificeerde DNA-streng, het creëren van een "flessenborstel" -structuur. Vervolgens gebruikten ze de assemblage om DNA via PCR te amplificeren om een ​​groot netwerk van DNA te verkrijgen dat - tot hun verbazing - een hydrogel vormde bij blootstelling aan water.

"Hydrogels staan ​​tegenwoordig in de belangstelling omdat ze veel potentiële toepassingen hebben, hoewel er relatief weinig manieren zijn voor hun gecontroleerde productie, ' zei Romesberg.

De nieuwe op DNA gebaseerde hydrogel bleek enkele intrigerende eigenschappen te hebben. Chen en Romesberg ontdekten dat ze het konden oplossen met DNA-knippende enzymen en het later in elke gewenste vorm konden hervormen met behulp van DNA-bindende enzymen. waardoor ze de hydrogel kunnen vormen en hervormen met nieuwe stabiele structuren. Testeiwitten die in de hydrogel waren geplaatst, behielden ook hun biochemische activiteit.

"We denken dat deze hydrogel toepassingen kan hebben die variëren van nieuwe vormen van medicijnafgifte tot het groeien van cellen in driedimensionale culturen, ' zei Chen.

De onderzoekers toonden aan dat het SFM4-3-polymerase ook kan worden gebruikt om DNA te repliceren en te amplificeren dat is gemodificeerd met drie andere soorten toevoegingen aan de ruggengraatsuiker:een chloor (Cl) of amino (NH2) groep, of een hydroxylgroep (OH) die met de ruggengraat combineert om een ​​arabinosesuiker te vormen.

Chen en Romesberg zijn nu op zoek naar aanvullende DNA-modificaties die kunnen worden gerepliceerd met behulp van het SFM4-3-polymerase. Tegelijkertijd, de onderzoekers streven naar specifieke toepassingen van hun gemodificeerde DNA, waaronder nieuwe hydrogels.

"Aangezien DNA verschillende sequenties kan hebben die verschillende eigenschappen verlenen, we kunnen zelfs beginnen na te denken over evoluerende nanomaterialen met gewenste activiteiten, ' zei Romesberg.