Oddball-enzym giver nem vej til syntetiske biomaterialer

Materialeforskere har skrevet opskriften på, hvordan man bruger et ulige enzym til at bygge nye biomaterialer ud af DNA. Arbejdet giver vejledninger til forskere verden over om at bygge selvsamlende molekyler til anvendelser lige fra lægemiddellevering til nanotråde.

Den menneskelige krops molekylære maskineri er typisk afhængig af genetiske skabeloner til at udføre konstruktionen. For eksempel, molekylære maskiner kaldet DNA-polymeraser læser DNA base for base for at bygge nøjagtige kopier.

Der er, imidlertid, et par sorte får i molekylærbiologiens verden, der ikke kræver en skabelon. En sådan afviger, kaldet terminal deoxynukleotidyltransferase (TdT), virker i immunsystemet og katalyserer den skabelonfrie tilsætning af nukleotider-byggestenene i DNA-til et enkeltstrenget DNA.

Tilsyneladende tilfældige nukleotidsekvenser i en enkelt DNA -streng synes ikke at have meget biologisk brug - men materialer forskere har fundet ud af, hvad de skal gøre med det.

I et nyt blad, Duke University -forskere bygger videre på deres tidligere arbejde og beskriver nu detaljeret, hvordan TdT -enzymet kan producere præcise, høj molekylvægt, syntetiske biomolekylære strukturer meget lettere end nuværende metoder. Forskere kan skræddersy syntese til at skabe enkeltstrenget DNA, der selv samles i kuglelignende beholdere til lægemiddellevering eller til at inkorporere unaturlige nukleotider for at give adgang til en bred vifte af medicinsk nyttige evner.

Resultaterne vises online den 15. maj, 2017 i bladet Angewandte Chemie International Edition .

"Vi er de første til at vise, hvordan TdT kan bygge stærkt kontrollerede enkeltstrenge af DNA, der kan samle sig selv til større strukturer, sagde Stefan Zauscher, familien Sternbergs professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke University. Lignende materialer kan allerede fremstilles, men processen er lang og kompliceret, kræver flere reaktioner. Vi kan gøre det på en brøkdel af tiden i en enkelt pot."

TdT har fordel i forhold til typiske, syntetiske kædebyggende reaktioner, idet den fortsætter med at tilføje nukleotider til enden af ​​den voksende kæde, så længe de er tilgængelige. Dette åbner et stort designrum for materialeforskere.

Fordi enzymerne alle arbejder i samme tempo og aldrig stopper, de resulterende DNA-strenge er alle meget tæt på hinanden i størrelse - en vigtig egenskab til at kontrollere deres mekaniske egenskaber. Den uendelige proces betyder også, at forskere kan tvinge TdT til et hvilket som helst nukleotid, de ønsker – selv unaturlige – blot ved ikke at give andre muligheder.

"Din krop laver DNA -strenge ud af kun fire nukleotider - adenin, guanin, cytosin og uracil, "sagde Chilkoti, Alan L. Kaganov professor og formand for afdelingen for biomedicinsk ingeniørvidenskab ved Duke. "Men vi kan skabe syntetiske nukleotider og tvinge enzymet til at inkorporere dem. Dette åbner mange døre til fremstilling af DNA-baserede polymerer til forskellige anvendelser."

For eksempel, unaturlige nukleotider kan inkorporere molekyler designet til at lette "klikkemi" - hvilket muliggør vedhæftning af en hel pakke biomolekyler. Forskere kan også starte byggeprocessen med et fundament lavet af en bestemt DNA-sekvens, kaldet en aptamer, som kan målrette mod bestemte proteiner og celler.

"Dette enzym har eksisteret i årtier, men det er første gang nogen har kortlagt disse koncepter til en plan for syntetisering af en helt ny familie af polynukleotider, sagde Zauscher. biokemikere har i høj grad interesseret sig for, hvad TdT gør i det menneskelige immunologiske system, og hvordan det gør det. Vi er ligeglade med det hele, vi er bare interesserede i, hvilket materiale byggesten vi kan lave med det. Og den præcision, hvormed vi kan fremstille polymerer med dette enzym, er faktisk helt exceptionel."