Een team van chemici van SU's College of Arts and Scientists heeft een temperatuurgevoelig polymeer gebruikt om DNA-interacties te reguleren in zowel een DNA-gemedieerd assemblagesysteem als een DNA-gecodeerd medicijnafgiftesysteem.

Hun bevindingen, onder leiding van universitair hoofddocent Mathew M. Maye en afgestudeerde studenten Kristen Hamner en Colleen Alexander, kan verbeteren hoe nanomaterialen zichzelf assembleren tot functionele apparaten en hoe geneesmiddelen tegen kanker, inclusief doxorubicine, worden in het lichaam afgeleverd. Meer informatie is beschikbaar in een artikel van 30 juli in: ACS Nano , gepubliceerd door de American Chemical Society.

Een gebied van nanowetenschap dat een reeks velden met elkaar verbindt, waaronder optica, chemische detectie en medicijnafgifte en -behandeling - is de zelfassemblage van nanodeeltjes. Tijdens de zelfmontage, de chemie die aan de nanodeeltjesinterface is bevestigd, drijft een reactie aan. Als resultaat, deeltjes komen samen om een ​​vaste stof te vormen, een chai of een kleine molecuulachtige cluster.

Maye en anderen hebben onlangs ontdekt hoe ze DNA-koppelingen kunnen gebruiken om een ​​reeks structuren te creëren. De reacties zijn snel en stabiel, hij zegt, maar kan ook problematisch zijn.

"Bijvoorbeeld, we willen weten hoe we een reactie kunnen in- en uitschakelen, zonder vervelende wijzigingen in de procedure, " zegt Maye. "We hebben dit probleem aangepakt door een thermische trigger te bieden in de vorm van een slim polymeer, die de structuur op nanoniveau verandert."

Een slim polymeer is een groot molecuul, opgebouwd uit vele atomaire eenheden, die van structuur verandert bij blootstelling aan externe prikkels, zoals licht, zuurgraad of temperatuur.

Maye en zijn collega's hebben een designerpolymeer gesynthetiseerd dat niet alleen reageert op temperatuur, maar kan ook worden geassembleerd tot een gouden nanodeeltje. De nieuwigheid van deze aanpak, hij zegt, is dat het nanodeeltje korte segmenten enkelstrengs DNA bezit.

"Deze multifunctionele functionaliteit en toegevoegde 'slimme' component zijn indicatief voor waar nanowetenschap naartoe gaat, ", zegt Maye. "We willen dat nanomaterialen veel taken tegelijk kunnen uitvoeren, en we willen hun interacties op afstand kunnen in- en uitschakelen."

Maye's team, daarom, heeft een systeem ontworpen waarbij een hoge temperatuur (bijv. 50 graden Celsius) zorgt ervoor dat polymeerstrengen krimpen, daardoor bloot te leggen en operationeel te maken, en een lage temperatuur zorgt ervoor dat ze uitzetten, hun DNA-herkenningseigenschappen blokkeren.

May zegt dat in één proef, zelfassemblage tussen complementaire DNA-nanodeeltjes vond alleen plaats bij hoge temperatuur. In een tweede studie, zijn team ontdekte dat hitte de afgifte van doxorubicine in de DNA-schaal van de gecodeerde nanodrager veroorzaakte.

Onlangs uitgevonden door Maye en zijn SU-collega's, de nanocarrier heeft een zesvoudige toename in toxiciteit, vergeleken met degene die in eerdere onderzoeken zijn gebruikt.

"Wat nieuw is aan deze benadering, is dat interparticle-koppelingen dynamisch en herconfigureerbaar zijn, ", zegt Maye. "Een dergelijke herconfiguratie kan leiden tot slimme vaste stoffen en metamaterialen die reageren op omgevingsstimuli, ongeveer op dezelfde manier waarop slimme polymeren in bulk reageren."

Maye en zijn team hebben ook een aantal geavanceerde technieken gebruikt om de mechanismen van hun systeem beter te begrijpen, inclusief dynamische lichtverstrooiing en kleine hoek röntgenverstrooiing.

"Door de assemblage van nanodeeltjes met temperatuur te regelen, kunnen we hun reacties verfijnen en meer voorspelbare structuren vormen. Het geeft ons ook een beter systeem om de assemblage te schalen, " hij zegt.

Maye legt verder uit dat voor DNA-gecodeerde nanodeeltjes, dergelijke klassen van deeltjes zijn een uitstekend platform voor medicijnafgifte:"In combinatie met thermogevoelige polymeren zoals die in ons systeem, ze kunnen zeer lucratief worden."