DNA kan meer doen dan alleen genetische code doorgeven van de ene generatie naar de volgende. Al bijna twintig jaar zijn wetenschappers op de hoogte van het vermogen van het molecuul om clusters van zilveratomen ter grootte van een nanometer te stabiliseren. Sommige van deze structuren gloeien zichtbaar in rood en groen, waardoor ze nuttig zijn in een verscheidenheid aan chemische en biosensortoepassingen.

Stacy Copp, assistent-professor materiaalkunde en techniek aan de UCI, wilde zien of de mogelijkheden van deze kleine fluorescerende markers nog verder konden worden uitgebreid – tot in het nabij-infrarode bereik van het elektromagnetische spectrum – om biowetenschappelijke onderzoekers de kracht te geven om door levende wezens heen te kijken. cellen en zelfs centimeters biologisch weefsel, waardoor deuren worden geopend naar verbeterde methoden voor ziektedetectie en -behandeling.

"Er is een onbenut potentieel om de fluorescentie door DNA-gestabiliseerde zilveren nanoclusters uit te breiden naar het nabij-infrarode gebied", zegt ze. "De reden dat dit zo interessant is, is omdat onze biologische weefsels en vloeistoffen veel transparanter zijn voor nabij-infraroodlicht dan voor zichtbaar licht."

Copp zegt dat wetenschappers en ingenieurs op zoek zijn naar nieuwe manieren om lichaamsweefsels te scannen om de muterende bijwerkingen van röntgenstraling te voorkomen of om patiënten radionucliden te laten inslikken om tumoren te detecteren. "Er zijn veel redenen waarom het spannend zou zijn om niet-invasief, ongevaarlijk nabij-infraroodlicht te gebruiken, wat in feite warmte is", zegt ze. "Maar een van de grootste uitdagingen is dat we niet echt goede, niet-giftige fluoroforen hebben:moleculen of nanodeeltjes die dit nabij-infrarode licht uitstralen."

Mensen zijn zich al sinds de oudheid bewust van de antimicrobiële werking van zilver. Het element doodt bacteriën, maar is goedaardig voor de meeste zoogdiercellen; het wordt zelfs gebruikt om geurtjes te bestrijden in sommige stoffen die mensen dragen. Copp zegt dat recente onderzoeken hebben aangetoond dat DNA-gestabiliseerde zilveren nanoclusters een lage cytotoxiciteit hebben en dat DNA inherent biocompatibel is, wat deze verbindingen potentieel veilig maakt voor gebruik in een klinische omgeving.

Zoals met veel dingen die met DNA te maken hebben, is er een bijna onbegrijpelijke hoeveelheid sequentiepermutaties, waarvan slechts een kleine subset de fluorescerende eigenschappen bezit waar onderzoekers naar streven. Toen Copp bij UC Santa Barbara werkte, maakte hij deel uit van een team dat een instrument ontwierp dat snel honderden zilveren nanoclusters tegelijk kan scannen om te zien of ze bijna-infraroodstraling hebben. Met deze tool hebben de wetenschappers een groot aantal voorheen verborgen kandidaatsequenties kunnen vinden.

In haar laboratorium in het Susan en Henry Samueli Interdisciplinaire Science and Engineering Building van de UCI startte Copp een project met Peter Mastracco, haar eerste Ph.D. student, om te profiteren van nieuwe gegevens die DNA-sequenties verbinden met de kleuren van de nanoclusters, die Copp zegt te vergelijken met een 'nanoclustergenoom'. Ze vroeg Mastracco om een ​​machine learning-methode te ontwikkelen waarmee ze bergen experimentele gegevens konden analyseren om nieuwe DNA-sequenties te bedenken – die in het laboratorium kunnen worden gemaakt – die toegang bieden tot het nabij-infrarode gebied.

Al vroeg in het project vond Mastracco een onderzoeksartikel dat de röntgenkristalstructuur van een DNA-gestabiliseerde zilveren nanocluster aantoonde. "Het gaf ons letterlijk een beeld van waar alle zilveratomen zich bevinden en hoe het DNA rond de nanocluster is gevouwen", zegt Copp. "En hij ontdekte iets dat ik nog niet eerder had opgemerkt, namelijk dat het DNA zich op een bepaalde manier rond de nanocluster vouwde."

De onderzoekers veronderstelden dat als ze informatie over deze vouweigenschap in hun machine learning-modellen zouden coderen, ze de fluorescentiekleur van de nanoclusters zouden kunnen voorspellen.

Onderdeel van Mastracco's Ph.D. De training in de groep van Copp was om mentor te worden. In de zomer van 2020 – een vroege piek in de COVID-19-pandemie – werd hij gekoppeld aan Josh Evans, een student aan Chaffey College, een community college met campussen in het Californische Inland Empire.

Volgens Copp bedacht Evans een creatieve manier om de resultaten van Mastracco's modellen duidelijker te interpreteren. "Sommige van deze algoritmen kunnen werken als een zwarte doos", zegt Copp. "Je levert een dataset aan het machine learning-algoritme, en het leert de trends in die gegevens, en dat helpt je voorspellingen te doen. Maar het kan echt moeilijk zijn om het deksel te openen om erachter te komen wat er in de doos gebeurt."

Evans hielp dit probleem op te lossen door een 'functieselectietool' te gebruiken waarmee het team kon bepalen welk deel van de DNA-sequentie gecorreleerd was met de verschillende fluorescentiekleuren van de nanoclusters.

Copp zegt dat de doorbraak een essentiële bijdrage werd aan een onderzoekspaper – met Mastracco als hoofdauteur – dat werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Het werk in de Copp-onderzoeksgroep aan fluorescerende nanoclusters gaat gestaag door. Ze publiceerden onlangs een tweede artikel over dit onderwerp in Journal of the American Chemical Society , deze onder leiding van Ph.D. student Anna Gonzalez Rosell, die UCI-co-auteur Nery Arevalos begeleidde.

"Het artikel vertegenwoordigt een belangrijke stap vooruit in de ontwikkeling van werkelijk biocompatibele nanoclusters voor nabij-infraroodbeeldvorming", zegt Copp. "Verschillende van mijn studenten werkten aan deze papers, en mentorschap speelde een cruciale rol in de projecten. Het is een regeling die ongelooflijk goed werkt als het gaat om het leveren van onderzoeksresultaten en het helpen van jonge wetenschappers om hun doelen te bereiken."

Meer informatie: Peter Mastracco et al., Chemisch geïnformeerd machinaal leren maakt de ontdekking mogelijk van DNA-gestabiliseerde zilveren nanoclusters met nabij-infraroodfluorescentie, ACS Nano (2022). DOI:10.1021/acsnano.2c05390

Anna Gonzàlez-Rosell et al, Chlorideliganden op DNA-gestabiliseerde zilveren nanoclusters, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c01366

Journaalinformatie: Journaal van de American Chemical Society , ACS Nano

Aangeboden door Universiteit van Californië, Irvine