Onderzoekers van de Carnegie Mellon University hebben een methode ontwikkeld om nanostructuren zelf te assembleren met gamma-gemodificeerd peptide-nucleïnezuur (γPNA), een synthetische nabootsing van DNA. Het proces heeft het potentieel om zowel nanoproductie als toekomstige biomedische technologieën zoals gerichte diagnostiek en medicijnafgifte te beïnvloeden.

Deze week gepubliceerd in Natuurcommunicatie , het werk introduceert een wetenschap van γPNA-nanotechnologie die zelfassemblage in organische oplosmiddeloplossingen mogelijk maakt, de ruwe omgevingen die worden gebruikt bij de synthese van peptiden en polymeren. Dit belooft veel voor nanofabricage en nanosensing.

Het onderzoeksteam, onder leiding van universitair docent Werktuigbouwkunde Rebecca Taylor, rapporteerde dat γPNA nanovezels kan vormen in oplossingen van organische oplosmiddelen die tot 11 micron lang kunnen worden (meer dan 1000 keer langer dan hun breedte). Deze vertegenwoordigen het eerste complex, all-PNA-nanostructuren die in organische oplosmiddelen moeten worden gevormd.

Taylor, die aan het hoofd staat van het Microsystems and MechanoBiology Lab in Carnegie Mellon, wil gebruik maken van de "superkrachten" van PNA. Naast de hogere thermische stabiliteit, γPNA behoudt het vermogen om te binden aan andere nucleïnezuren in mengsels van organische oplosmiddelen die typisch structurele DNA-nanotechnologie zouden destabiliseren. Dit betekent dat ze nanostructuren kunnen vormen in oplosmiddelomgevingen die de vorming van op DNA gebaseerde nanostructuren voorkomen.

Een andere eigenschap van γPNA is dat het minder gedraaid is dan de dubbele helix van DNA. Het resultaat van dit verschil is dat de "regels" voor het ontwerpen van op PNA gebaseerde nanostructuren anders zijn dan de regels voor het ontwerpen van structurele DNA-nanotechnologie.

"Als werktuigbouwkundigen, we waren voorbereid op de uitdaging om een ​​structureel ontwerpprobleem op te lossen, zei Taylor. "Vanwege de ongewone spiraalvormige draai, we moesten een nieuwe aanpak bedenken om deze stukken aan elkaar te weven."

Omdat de onderzoekers in Taylor's lab dynamische vormverandering in hun nanostructuren willen gebruiken, ze waren geïntrigeerd toen ze ontdekten dat morfologische veranderingen - zoals verstijving of ontrafeling - optraden toen ze DNA in de γPNA-nanostructuren opnamen.

Andere interessante kenmerken die de onderzoekers verder willen onderzoeken, zijn oplosbaarheid in water en aggregatie. In water, deze huidige nanovezels hebben de neiging om samen te klonteren. In mengsels van organische oplosmiddelen, het Taylor-lab heeft aangetoond dat ze kunnen bepalen of structuren al dan niet aggregeren, en Taylor is van mening dat de aggregatie een functie is die kan worden benut.

"Deze nanovezels volgen de Watson-Crick-bindingsregels van DNA, maar ze lijken steeds meer te werken als peptiden en eiwitten naarmate PNA-structuren in omvang en complexiteit groeien. DNA-structuren stoten elkaar af, maar deze nieuwe materialen niet, en mogelijk kunnen we dit gebruiken voor het maken van responsieve oppervlaktecoatings, " zei Taylor.

Het synthetische APNA-molecuul is gezien als een eenvoudige DNA-nabootser met gewenste eigenschappen zoals hoge biostabiliteit en sterke affiniteit voor complementaire nucleïnezuren.

"Wij geloven door dit werk, we zouden deze perceptie bovendien kunnen aanpassen door het vermogen van γPNA te benadrukken om als beide te werken - als een peptide-nabootsing vanwege zijn pseudopeptide-ruggengraat en als een DNA-nabootser vanwege zijn sequentie-complementariteit. Deze verandering in perceptie zou ons in staat kunnen stellen de meerdere identiteiten te begrijpen die dit molecuul kan gebruiken in de wereld van PNA-nanostructuurontwerp, " zei Sriram Kumar, een werktuigbouwkunde Ph.D. kandidaat en de eerste auteur op het papier.

Hoewel PNA al wordt gebruikt in baanbrekende toepassingen voor gentherapie, er valt nog veel te leren over het potentieel van dit synthetische materiaal. Als er ooit complexe PNA-nanostructuren kunnen worden gevormd in waterige oplossingen, Taylor's team hoopt dat aanvullende toepassingen enzymresistente nanomachines zullen omvatten, waaronder biosensoren, diagnostiek, en nanorobots.

"PNA-peptidehybriden zullen een geheel nieuwe toolkit voor wetenschappers creëren, ' zei Taylor.

De onderzoekers gebruikten aangepaste gamma-aanpassingen aan PNA die waren ontwikkeld door Danith Ly's laboratorium in Carnegie Mellon. Toekomstig werk zal linkshandige γPNA's in het nanofabricageproces onderzoeken. Voor toekomstige biomedische toepassingen, linkshandige structuren zouden van bijzonder belang zijn omdat ze geen risico zouden vormen op binding aan cellulair DNA.

Dit werk staat voor een interdisciplinaire samenwerking. Andere auteurs waren onder meer chemie Ph.D. kandidaat Alexander Pearse en werktuigbouwkundig kandidaat Ying Liu. Financiering werd verstrekt door de National Science Foundation en het Air Force Office of Science Research.