Onderzoekers van de Carnegie Mellon University hebben een synthetisch molecuul ontwikkeld dat onder normale fysiologische omstandigheden dubbelstrengs DNA of RNA kan herkennen en eraan kan binden. Het molecuul zou een nieuw platform kunnen bieden voor het ontwikkelen van methoden voor de diagnose en behandeling van genetische aandoeningen. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Communicatiechemie .

Het werk is uitgevoerd door een internationaal team van experts, waaronder Carnegie Mellon hoogleraar scheikunde Danith Ly, een expert in peptide-nucleïnezuurontwerp, postdoc chemie Shivaji Thadke en afgestudeerde scheikundestudent Dinithi Perera, Professor in de chemie en expert op het gebied van nucleaire magnetische resonantie Roberto Gil, en Arnab Mukherjee, een computerwetenschapper bij The Indian Institute of Science Education and Research in Pune.

"Aangezien de dubbel-helixstructuur van DNA voor het eerst werd opgehelderd door Watson en Crick, Wetenschappers hebben geprobeerd moleculen te ontwerpen die zich aan DNA kunnen binden en het mogelijk maken om de stroom van genetische informatie te controleren, "zei Ly. "Dit is het eerste bifaciale molecuul dat dubbelstrengs DNA of RNA kan binnendringen onder biologisch relevante omstandigheden."

DNA, die alle genetische informatie van een organisme bevat, bestaat uit twee strengen nucleotiden. De nucleotiden verbinden zich met elkaar door middel van waterstofbruggen, vormen een spiraalvormige keten van Watson-Crick-basenparen. Hoewel deze basenparen een relatief eenvoudige code vormen voor onze genetische informatie, het is moeilijk om in de dubbele helix te komen om de code te veranderen vanwege de sterke bindingen tussen de basenparen.

Ly en zijn collega's van Carnegie Mellon University's Institute for Biomolecular Design and Discovery (IBD) en Center for Nucleic Acids Science and Technology (CNAST) zijn leiders in het ontwerp en de ontwikkeling van gamma-peptide-nucleïnezuren (gamma-PNA's). Synthetische analogen van DNA en RNA, gamma-PNA's kunnen worden geprogrammeerd om te binden aan het genetische materiaal (DNA of RNA) dat ziekte veroorzaakt, waardoor ze naar schadelijke sequenties kunnen zoeken en eraan kunnen binden om te voorkomen dat een gen niet goed functioneert.

De groep heeft dubbelzijdige gamma-PNA's gemaakt, Janus-gamma-PNA's genaamd. Vernoemd naar de Romeinse god met twee gezichten, Janus PNA's zijn in staat om beide strengen van een DNA- of RNA-molecuul te herkennen en eraan te binden.

Het concept van tweezijdige herkenning, wat de basis is van de Janus gamma-PNA's, werd meer dan twee decennia geleden voor het eerst bedacht door Jean-Marie Lehn, een Nobelprijswinnaar bekend om zijn werk op het gebied van supramoleculaire chemie, en toegelicht door andere onderzoekers in het veld.

De voortgang van dit onderzoek werd tegengehouden door twee obstakels. Eerst, onderzoekers hadden slechts een klein aantal Janus-bases kunnen maken, en die bases varieerden aanzienlijk in vorm en grootte. Deze beperkingen betekenden dat de verschillende Janus-basen alleen herhalingen van dezelfde set basenparen konden herkennen en niet samen konden worden gebruikt als bouwstenen om complexere sequenties in DNA of RNA te herkennen.

Ten tweede, het was moeilijk om Janus-basen te synthetiseren voor canonieke basenparen. De complementaire aard van de twee zijden van Janus-basen zorgde ervoor dat de moleculen hybridiseerden en aan elkaar binden, voorkomen dat ze worden opgenomen in DNA en RNA.

In de huidige studie, Ly en collega's overwinnen deze obstakels. Ze creëerden een geheel nieuwe set bifaciale nucleïnezuurherkenningselementen, 16 in totaal, die verantwoordelijk waren voor elke mogelijke combinatie van nucleobasen die in de genetische code konden worden gevonden. De Janus-gamma-PNA's kunnen worden gebruikt om elke combinatie van basenparen te herkennen en kunnen worden gemengd en gematcht om complexe genetische sequenties te detecteren en eraan te binden.

Thadke loste het chemische syntheseprobleem op door een nieuwe oplossings- en vaste-fase-synthesemethode te bedenken om de Janus-gamma-PNA's te ontwikkelen. Hij gebruikte ook een truc die inherent is aan de spiraalvormige pre-organisatie in de ruggengraat van de gamma-PNA om te voorkomen dat zelf-complementaire Janus-basen met elkaar hybridiseren.

Deze nieuwe Janus gamma-PNA's hebben een buitengewoon hoge bindingsenergie en zijn de eersten die een canonieke base-gepaarde DNA- of RNA-dubbele helix kunnen binnendringen bij een fysiologisch relevante ionsterkte en temperatuur.

Ze doen dit door te profiteren van wanneer dubbelstrengs DNA- en RNA-moleculen "ademen" en de bindingen tussen de basenparen een fractie van een seconde opengaan. Wanneer dit gebeurt, de Janus PNA voegt zich tussen de gescheiden strengen. Als de basenparen niet overeenkomen, de Janus PNA wordt uit het DNA-molecuul geworpen. Maar als ze overeenkomen, de Janus PNA bindt aan beide strengen van het molecuul.

Janus gamma-PNA's hebben een breed scala aan biologische en biomedische toepassingen. Ze kunnen worden ontworpen om genomisch DNA te targeten voor genbewerking en transcriptionele regulatie. Ze zouden ook kunnen worden ontworpen om sequentiespecifiek en selectief te binden aan de secundaire en tertiaire structuren van RNA, iets dat traditionele antisense-middelen en liganden met kleine moleculen niet kunnen doen. Bijvoorbeeld, de Janus gamma-PNA's kunnen worden geprogrammeerd om te binden aan RNA-herhaalde expansies, die zouden kunnen leiden tot nieuwe behandelingen voor een aantal neuromusculaire en neurodegeneratieve aandoeningen, waaronder myotone dystrofie type 1 en de ziekte van Huntington, of aan niet-coderende RNA's, inclusief ribosomaal en telomerase-RNA van pathogenen, om genetische en infectieziekten te bestrijden.

De technologie wordt zowel door startups als door farmaceutische bedrijven onderzocht voor therapeutische ontwikkelingen.