Kemikere bruger modificerede DNA -nukleotider til at skabe nye materialer

DNA udviklede sig til at gemme genetisk information, men i princippet denne særlige, kædelignende molekyle kan også tilpasses til at lave nye materialer. Kemikere ved The Scripps Research Institute (TSRI) har nu offentliggjort en vigtig demonstration af denne genanvendelse af DNA for at skabe nye stoffer med mulige medicinske anvendelser.

TSRI's Floyd Romesberg og Tingjian Chen, i en undersøgelse offentliggjort online i kemitidsskriftet Angewandte Chemie , viste, at de kunne foretage flere potentielt værdifulde kemiske modifikationer af DNA -nukleotider og producere nyttige mængder af det modificerede DNA. Kemikerne demonstrerede deres nye tilgang ved at lave en DNA-baseret, vandabsorberende hydrogel, der i sidste ende kan have flere medicinske og videnskabelige anvendelser.

"DNA har nogle unikke egenskaber som materiale, og med denne nye evne til at ændre det og replikere det som normalt DNA, vi kan virkelig begynde at undersøge nogle interessante potentielle applikationer, sagde Romesberg, professor i kemi ved TSRI.

Romesbergs laboratorium i det sidste årti har hjulpet banebrydende metoder til fremstilling af modificeret DNA, med det endelige mål at udvikle værdifulde nye lægemidler, sonder og materialer - selv kunstige livsformer. Holdet nåede en vigtig milepæl sidste år med en bedrift, der blev rapporteret i Nature Chemistry:udviklingen af ​​et kunstigt DNA -polymeraseenzym, der kan lave kopier af modificeret DNA, meget som normale DNA -polymeraser replikerer normalt DNA.

De DNA-modifikationer, der blev testet i den undersøgelse, involverede kun vedhæftning af fluor (F) eller methoxy (O-CH3) dele til sukkerhovedet i DNA-nukleotider-ændringer, der i princippet ville forbedre egenskaberne af DNA-baserede lægemidler. I den nye undersøgelse, Chen og Romesberg demonstrerede flere andre ændringer, som deres polymerase SFM4-3 kan replikere og, ved at gøre sådan, åbnede døren til design af modificeret DNA til en meget bredere vifte af applikationer.

En af de nye ændringer tilføjer en azidogruppe (N3), et bekvemt fastgørelsespunkt for mange andre molekyler via et relativt let sæt teknikker kaldet "klikkemi, "var også banebrydende inden for TSRI. TSRI-kemikerne viste, at SFM4-3-polymerasen kan replikere azido-modificerede nukleotider med tilstrækkelig troværdighed og kan eksponentielt forstærke dele af dette modificerede DNA ved hjælp af en fælles laboratoriemetode, polymerasekædereaktion (PCR). Klikkemi kan derefter bruges til at tilføje en hvilken som helst af en lang række forskellige molekyler til DNA'et via azidogruppen.

"Med azido-DNA og klikkemi, vi var i stand til at producere højt funktionaliseret DNA, herunder DNA modificeret med en intens koncentration af fluorescerende fyrmolekyler og DNA mærket med et kemisk håndtag kaldet biotin, "sagde Chen, som er postdoc forsker i Romesberg Laboratorium.

Forskerne i en mere avanceret demonstration brugte klikkemi til at fastgøre flere DNA -tråde til en central, azido-modificeret DNA-streng, skabe en "flaskebørste" struktur. De brugte derefter samlingen til at amplificere DNA via PCR for at opnå et stort net af DNA, der - til deres overraskelse - dannede en hydrogel, når de blev udsat for vand.

"Hydrogels er et fokus af stor interesse i disse dage, fordi de har mange potentielle applikationer, selvom der er relativt få måder til deres kontrollerede produktion, "Sagde Romesberg.

Den nye DNA-baserede hydrogel viste sig at have nogle spændende egenskaber. Chen og Romesberg fandt ud af, at de kunne opløse det med DNA-skærende enzymer og senere reformere det i enhver ønsket form ved hjælp af DNA-sammenføjende enzymer, giver dem mulighed for at danne og reformere hydrogel med nye stabile strukturer. Testproteiner placeret i hydrogel bevarede også deres biokemiske aktivitet.

"Vi tror, ​​at denne hydrogel kan have anvendelser lige fra nye former for lægemiddellevering til dyrkning af celler i tredimensionelle kulturer, "Sagde Chen.

Forskerne demonstrerede, at SFM4-3-polymerasen også kan bruges til at replikere og forstærke DNA, der er blevet modificeret med tre andre typer tilføjelser til rygradssukkeret:en chlor (Cl) eller amino (NH2) gruppe, eller en hydroxylgruppe (OH), der kombineres med rygraden til dannelse af et arabinosukker.

Chen og Romesberg leder nu efter yderligere DNA-modifikationer, der kan replikeres ved hjælp af SFM4-3-polymerasen. På samme tid, forskerne forfølger specifikke anvendelser af deres modificerede DNA, herunder nye hydrogeler.

"I betragtning af at DNA kan have forskellige sekvenser, der giver forskellige egenskaber, vi kan endda begynde at tænke på udvikling af nanomaterialer med ønskede aktiviteter, "Sagde Romesberg.