Написана AZoNano 15 июня 2020 [19459][19459][1945

Ученые из Университета Карнеги-Меллона разработали новую методику для самоорганизации наноструктур с гамма-модифицированной пептидной нуклеиновой кислотой (γPNA) – искусственным имитатором ДНК.

Такой процесс может оказывать влияние на нанопроизводство, а также на будущие биомедицинские технологии, такие как доставка лекарств и целевая диагностика.

Исследование, недавно опубликованное в журнале Nature Communications представляет научную концепцию нанотехнологии γPNA, которая позволяет самосборку в растворах органических растворителей – агрессивных средах, используемых при синтезе полимеров и пептидов. Эта технология предлагает отличный потенциал для нано-определения и нано-изготовления.

Возглавляемые Ребеккой Тейлор, доцентом машиностроения, ученые сообщили, что γPNA способна образовывать нановолокна в растворах органических растворителей, и эти крошечные волокна могут расти до длины 11 мкм (более чем в 1000 раз длиннее, чем их толщина). Эти результаты указывают на первую в мире комплексную наноструктуру, полностью состоящую из ПНК, выращенную в органических растворителях.

Тейлор, который возглавляет Лабораторию микросистем и механобиологии в Университете Карнеги-Меллона, хочет использовать «сверхспособности» ПНА. γPNA не только демонстрирует более высокую термостабильность, но также обладает способностью связываться с другими видами нуклеиновых кислот, присутствующих в смесях органических растворителей, которые часто дестабилизируют структурную нанотехнологию ДНК.

Это означает, что γPNA может образовывать наноструктуры в условиях растворителя, которые ингибируют образование наноструктур на основе ДНК.

Другой характеристикой γPNA является то, что она менее скручена по сравнению с двойной спиралью ДНК. Результатом этого изменения является то, что «правила» для разработки наноструктур на основе PNA полностью отличаются от правил для разработки структурных нанотехнологий ДНК.

Как инженеры-механики, мы были готовы к решению проблемы структурного проектирования. Из-за необычного спирального скручивания нам пришлось придумать новый подход к объединению этих частей .

Ребекка Тейлор, доцент, кафедра машиностроения, Университет Карнеги-Меллона

Так как ученые, работающие в лаборатории Тейлора, ищут способы применения динамического изменения формы в своих наноструктурах γPNA, они были удивлены, обнаружив, что морфологические изменения – похожие на распутывание или жесткость – имели место, когда они интегрировали ДНК в γPNA наноструктуры.

Ученые также хотят продолжить изучение других интересных свойств, таких как агрегация и растворимость в воде. Эти текущие нановолокна в воде, вероятно, объединятся вместе. В смеси органических растворителей лаборатория Тейлора показала, что она может контролировать агрегацию структур, и, согласно Тейлору, агрегация является характеристикой, которую можно использовать.

Эти нановолокна следуют правилам связывания ДНК Уотсона-Крика, но, похоже, они все больше действуют как пептиды и белки, поскольку структуры ПНК увеличиваются в размере и сложности. Структуры ДНК отталкиваются друг от друга, но эти новые материалы этого не делают, и потенциально мы можем использовать это для создания отзывчивых поверхностных покрытий .

Ребекка Тейлор, доцент, кафедра машиностроения, Университет Карнеги-Меллона

Признанная простой имитатором ДНК, синтетическая молекула γPNA обладает необходимыми характеристиками, такими как сильное сродство и высокая биостабильность для комплементарных нуклеиновых кислот.

Мы полагаем, что благодаря этой работе мы могли бы дополнительно откорректировать это восприятие, подчеркнув способность γPNA действовать как и в качестве имитатора пептида из-за его псевдопептидного остова, и в качестве имитатора ДНК, потому что его последовательности дополнительности. Это изменение в восприятии может позволить нам понять множественные идентичности, которые эта молекула может использовать в мире дизайна наноструктур ПНК .

Шрирам Кумар, первый автор исследования и кандидат технических наук, кандидат технических наук, факультет машиностроения, Университет Карнеги-Меллона

Хотя технология PNA в настоящее время используется в инновационных применениях генной терапии, многое еще предстоит узнать о потенциале этого синтетического материала.

Если есть возможности для формирования сложных наноструктур ПНК в водных растворах, то большее количество приложений будет включать в себя устойчивые к ферментам наномашины, такие как нанороботы, средства диагностики и биосенсоры, считает исследовательская группа Тейлора.

« ПНК-пептидные гибриды создадут целый новый инструментарий для ученых », – добавил Тейлор.

Ученые использовали нестандартные гамма-изменения в ПНА, созданные лабораторией Данит Ли в Карнеги-Меллоне. В дальнейшем будущие исследования будут анализировать левые γPNAs в процедуре нанопроизводства. Ожидается, что для будущих биомедицинских применений левосторонние структуры будут особенно интересны, поскольку они вряд ли будут прикрепляться к клеточной ДНК.

Исследование представляет собой междисциплинарную ассоциацию. Другие авторы исследования включают кандидата химических наук Александра Пирса и кандидата технических наук Ин Лю.

Работа финансировалась Управлением научных исследований ВВС и Национальным научным фондом.

Журнал Ссылка:

Кумар С., и др. . (2020) Модульная самосборка гамма-модифицированных пептидных нуклеиновых кислот в смесях органических растворителей. Nature Communications . doi.org/10.1038/s41467-020-16759-8.

Видео предоставлено: Технический колледж Университета Карнеги-Меллона.

Источник: https://www.cmu.edu/