Wetenschap
Chemici gebruiken nucleïnezuurbindende kleurstoffen als fotokatalysatoren voor een populaire polymerisatiemethode
Onderzoekers van de afdeling Scheikunde van de Carnegie Mellon Universiteit hebben een op nucleïnezuur gebaseerde fotokatalysator ontwikkeld die de atom transfer radical polymerization (ATRP) nauwkeurig kan controleren, een populaire methode die wordt gebruikt om een breed scala aan materialen te genereren met zeer specifieke, op maat gemaakte functionaliteiten.
De nieuwe aanpak heeft iets ouds – fluorescerende kleurstoffen die binden aan nucleïnezuren – omgezet in iets nieuws:een veelzijdige fotokatalysator die nauwkeurige controle over de polymerisatiereactie mogelijk maakt.
"Nucleïnezuurbindende kleurstoffen zijn intrigerende fluorescerende moleculen die uitsluitend in de aanwezigheid van nucleïnezuren oplichten en geactiveerd worden. Bijgevolg vindt polymerisatie in ons systeem alleen plaats in de aanwezigheid van nucleïnezuren, waardoor we het proces kunnen manipuleren door geschikte nucleïnezuren te selecteren als cofactoren", zegt scheikundepromovendus Jaepil Jeong.
Het werk, gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society , houdt volgens de wetenschappers belofte in voor het bevorderen van het opkomende gebied van op nucleïnezuur gebaseerde materialen en technologieën, waaronder logisch gecontroleerde fotoATRP, nanofabricage en detectie van pathogenen.
ATRP, de meest robuuste methode voor gecontroleerde polymerisatie, stelt wetenschappers in staat kleine moleculen, monomeren genaamd, stuk voor stuk aan elkaar te rijgen, wat resulteert in zeer op maat gemaakte polymeren met specifieke eigenschappen. ATRP kan naar believen worden uitgeschakeld of opnieuw gestart, afhankelijk van hoe de omstandigheden van de reactie worden gevarieerd.
Eén manier om de reactie onder controle te houden is door gebruik te maken van fotokatalysatoren, materialen die de snelheid van een chemische reactie kunnen veranderen door blootstelling aan licht. Hoewel er fotopolymerisatiesystemen bestaan die gebruik maken van eenvoudige fluorescerende kleurstoffen die worden geactiveerd bij blootstelling aan licht, ging het team van Carnegie Mellon nog een stap verder door gebruik te maken van nucleïnezuurbindende kleurstoffen.
Nucleïnezuurbindende kleurstoffen zijn fluorescerende probes die oplichten na binding aan nucleïnezuren. Ze worden op grote schaal gebruikt op het gebied van de nano- en biotechnologie voor diagnostische en analytische toepassingen.
"Als nucleïnezuurwetenschappers en scheikundigen gebruiken we voortdurend kleurstoffen om DNA of RNA te visualiseren met fluorescerende kleurstoffen. Maar nu, in plaats van alleen de fluorescentie te detecteren, gebruik je die fluorescentie om polymerisatie uit te voeren", zegt Subha R. Das, universitair hoofddocent scheikunde en lid van Carnegie Mellon's Centre for Nucleic Acids Science and Technology.
"In ons nieuwe systeem is er alleen sprake van fluorescentie als er DNA of RNA is, dus alleen dan zul je de katalyse hebben," voegde Das eraan toe.
Omdat er nucleïnezuurbindende kleurstoffen bestaan die binden aan specifiek DNA of RNA, kunnen scheikundigen het polymerisatieproces zo ontwerpen dat het uitsluitend plaatsvindt in de aanwezigheid van specifieke sequenties of structuren van nucleïnezuren.
Jeong, die mede wordt geadviseerd door Das en Krzysztof Matyjaszewski, hoogleraar natuurwetenschappen aan de J.C. Warner Universiteit, was in een positie om het potentieel van de kleurstoffen te zien buiten hun algemeen gebruik.
Jeong testte zijn concept met behulp van populaire nucleïnezuurbindende kleurstoffen gecombineerd met verschillende nucleïnezuren, van eenvoudig zalm-DNA en gist-RNA tot complexere scaffolds zoals G-quadruplex DNA en DNA-nanobloemen. Ten eerste bevestigde hij dat polymerisatie niet plaatsvond zonder dat er nucleïnezuur aanwezig was. Zodra de nucleïnezuurscaffolds waren toegevoegd, bonden de kleurstoffen eraan en fluoresceerden ze bij blootstelling aan licht.
Jeong ontdekte dat de kleurstoffen, na binding aan nucleïnezuren, vaak een aanzienlijk verbeterde fluorescentie-kwantumopbrengst en een verlengde fluorescentielevensduur vertoonden. Dit maakte efficiënte elektronenoverdracht mogelijk naar de koperkatalysator die de ATRP-reactie aandrijft. Bovendien merkten de onderzoekers een verhoogde monomeerconversie op als ze grotere hoeveelheden DNA gebruikten.
"Door gebruik te maken van de unieke eigenschappen van nucleïnezuurbindende kleurstoffen om polymerisatie uitsluitend in de aanwezigheid van nucleïnezuurscaffolds mogelijk te maken, biedt deze nieuwe aanpak een aantrekkelijke manier om macromoleculen met complexe architecturen te bouwen", zegt Matyjaszewski, die ATRP in 1995 ontwikkelde en nog steeds onderzoek doet. innoveren en de techniek verbeteren.
"Het gebruikt ook ATRP om fluorescentiesignalen te versterken door alleen polymeren met een hoog molecuulgewicht te produceren als kleurstof en nucleïnezuren samen aanwezig zijn."
Door geschikte nucleïnezuren als cofactoren in de reactie te selecteren, kunnen scheikundigen een betere controle krijgen over de specifieke polymerisatie die ze proberen te bereiken.
Samen met Jeong, Matyjaszewski en Das is Marco Fantin van de Universiteit van Padua een auteur op papier. Fantin, die eerder als postdoctoraal onderzoeker bij Matyjaszewski werkte, leverde expertise op het gebied van de details van de elektrochemische aspecten van het fotokatalytische mechanisme.
Jeong, die in mei afstudeerde, zei dat hij het voorrecht had te worden begeleid door adviseurs met uiteenlopende expertise, waardoor hij kennis en vaardigheden kon verwerven op twee verschillende gebieden:polymeerchemie en nucleïnezuurtechnologie.
"Het idee om nucleïnezuren en bindende kleurstoffen als fotokatalysatoren te gebruiken was het resultaat van de nauwe en interdisciplinaire begeleiding van mijn adviseurs", zei hij.