Onderzoekers van de McGill University geloven dat ze een manier hebben gevonden om de ontwikkeling van biomaterialen te verbeteren die een rol kunnen spelen bij het toedienen van medicijnen. weefselregeneratie, nano-optica en nano-elektronica.

Het team, onder leiding van Hanadi Sleiman, Hoogleraar en Tier 1 Canada Research Chair in DNA Nanoscience bij de afdeling Chemie, ontwikkelde een methode geïnspireerd op de manier waarop de natuur defecte materialen repareert om stevigere vormen te creëren. Ze gebruikten de straling van een smartphonecamera om op DNA gebaseerde structuren te 'ontspannen' en levensechte materialen te creëren die on-demand kunnen worden gevarieerd en voor verschillende doeleinden kunnen worden gebruikt.

Welke vragen wilde je beantwoorden?

We waren geïnteresseerd in de vraag of het mogelijk was om nieuwe chemische procedures te ontwikkelen die natuurlijke processen beter nabootsen en levensechte biomaterialen creëren met gevarieerde en kneedbare structuren die kunnen worden gebruikt in materiaalwetenschap en weefseltechnologie. De natuur gebruikt de constante input en transformatie van energie om de vorm en functie van haar chemische systemen te moduleren. In weefsels zoals collageen, deze energieomzetting resulteert in vezels met verschillende eigenschappen, wat leidt tot variaties in hun elasticiteit en robuustheid. In tegenstelling tot, kunstmatige vezels zijn gemaakt met behulp van statische productieprocedures en bieden dit dynamische gedrag niet, waardoor het moeilijk is om hun eigendommen te reguleren.

In dit onderzoek, we probeerden supramoleculaire DNA-vezels te koppelen aan een op licht reagerend klein molecuul om dynamiek in deze structuren te introduceren, op een manier die vergelijkbaar is met hoe de natuur de functie van biologische weefsels controleert. DNA is een aantrekkelijk constructiemateriaal voor het genereren van nieuwe vezelachtige architecturen vanwege de voorspelbare assemblage en moleculaire herkenningseigenschappen. Het is ook inherent dynamisch, waardoor het een ideale kandidaat is om biocompatibele materialen met afstembare eigenschappen te produceren.

Wat heb je gevonden?

Wanneer deze componenten bij kamertemperatuur worden gemengd, ze assembleren tot driedubbele DNA-helices die samengaan tot vezels van micronlengte, die vervolgens met elkaar in verbinding staan ​​en uitgroeien tot grote, verwarde netwerken. Deze architecturen hebben structurele gebreken, het beperken van hun bruikbaarheid in materiaalwetenschap en weefselengineeringtoepassingen.

Om dit probleem te verhelpen, we gebruikten een fotochemisch systeem om de assemblage van op DNA gebaseerde structuren te reguleren en ontwikkelden een procedure waarbij vezels worden gedemonteerd bij bestraling van een smartphonecamera, vervolgens individuele DNA-strengen opsluiten in een hoge energie, dubbelstrengs DNA. Als het licht uit is, de DNA-strengen komen langzaam vrij uit hun energierijke opslagdepot, en de vezels komen weer in elkaar.

We ontdekten dat toen deze ontspanning van de hoge energie plaatsvond, het oorspronkelijke gekoppelde product werd niet hervormd:in plaats daarvan, afzonderlijke vezels parallel aan elkaar geaggregeerd, het genereren van dikke "nanokabels" met verbeterde mechanische eigenschappen en hogere thermische stabiliteiten.

Door onze fotochemische benadering toe te passen, de assemblageroute van polymerisatie is veranderd, invloed hebben op de lokale vezelstructuur. Vezels gevormd met behulp van onze strategie hebben minder structurele defecten dan vezels die zijn gekweekt zonder cyclusactivering. Onze meer 'perfecte' individuele vezels worden zo verhinderd om te vertakken en worden in plaats daarvan aangemoedigd om te aggregeren langs hun polymerisatie-as, waardoor robuuste en georganiseerde kabels ontstaan.

Waarom zijn de resultaten belangrijk?

Een van de vorderingen van dit werk is de ontwikkeling van nieuwe karakteriseringsmethoden (in samenwerking met het laboratorium van Prof. Gonzalo Cosa) om assemblage op enkelvezelniveau te begrijpen. Hoewel fluorescentietechnieken met één molecuul op grote schaal zijn gebruikt om biologische systemen te bestuderen, deze studie markeert de eerste directe observatie van de verschillende mechanismen van supramoleculaire polymerisatie, en de eerste optische test ontwikkeld om de heterogeniteit van supramoleculaire polymeren te onderzoeken.

We verwachten dat deze nieuwe methodologieën breed toepasbaar zullen zijn op de studie van zowel natuurlijke als synthetische materialen en belangrijk inzicht kunnen verschaffen in hoe de natuur de eigenschappen van haar functionele weefsels controleert, waardoor wetenschappers meer dynamische en afstembare materialen kunnen produceren.

Wanneer we onvolkomenheden in een materiaal identificeren, we kunnen het demonteren en het pad van zijn hermontage veranderen om de structuur te verfijnen. Dit resulteert in stevigere biomaterialen die kunnen worden gebruikt als steigers voor celgroei, weefselregeneratie, en organisatie van nanomaterialen.