Lyser vejen til forbedrede biomaterialer

Forskere fra McGill University mener, at de har fundet en måde at forbedre udviklingen af ​​biomaterialer, der kunne være medvirkende til lægemiddellevering, vævsregenerering, nano-optik og nanoelektronik.

Holdet, ledet af Hanadi Sleiman, Fuld professor og Tier 1 Canada Research Chair i DNA Nanoscience i Institut for Kemi, udviklet en metode inspireret af den måde naturen reparerer defekte materialer for at skabe mere robuste former. De brugte strålingen fra et smartphone-kamera til at "slappe af" DNA-baserede strukturer og skabe naturtro materialer, der kan varieres efter behov og bruges til forskellige formål.

Hvilke spørgsmål satte du dig for at besvare?

Vi var interesserede i, om det var muligt at udvikle nye kemiske procedurer, der bedre kunne efterligne naturlige processer og skabe naturtro biomaterialer med varierede og formbare strukturer, som kunne bruges i materialevidenskab og vævsteknologi. Naturen bruger den konstante input og transformation af energi til at modulere formen og funktionen af ​​sine kemiske systemer. I væv som kollagen, denne energiomdannelse resulterer i fibre med forskellige egenskaber, fører til variationer i deres elasticitet og robusthed. I modsætning, menneskeskabte fibre er fremstillet ved hjælp af statiske fremstillingsprocedurer og tilbyder ikke denne dynamiske adfærd, gør det vanskeligt at regulere deres egenskaber.

I dette studie, vi søgte at parre supramolekylære DNA-fibre med et lys-responsivt lille molekyle for at indføre dynamik i disse strukturer, på en måde, der ligner, hvordan naturen styrer funktionen af ​​biologiske væv. DNA er et attraktivt konstruktionsmateriale til at generere nye fibrøse arkitekturer på grund af dets forudsigelige samling og molekylære genkendelsesegenskaber. Det er også i sagens natur dynamisk, hvilket gør det til en ideel kandidat til at producere biokompatible materialer med justerbare egenskaber.

Hvad fandt du?

Når disse komponenter blandes ved stuetemperatur, de samles til DNA-tredobbelte helixer, der kombineres til mikron-længde fibre, som derefter forbindes og vokser til store, sammenfiltrede netværk. Disse arkitekturer har strukturelle defekter, begrænser deres anvendelighed i materialevidenskab og vævstekniske applikationer.

For at afhjælpe dette problem, vi brugte et fotokemisk system til at regulere samlingen af ​​DNA-baserede strukturer og udviklede en procedure, hvor fibre adskilles ved bestråling fra et smartphone-kamera, derefter sekvestrering af individuelle DNA-strenge til en høj energi, dobbeltstrenget DNA. Når lyset er slukket, DNA-strengene frigives langsomt fra deres højenergidepot, og fibrene samles igen.

Vi fandt ud af, at da denne afslapning fra den høje energi fandt sted, det oprindelige sammenlåste produkt blev ikke reformeret:I stedet, individuelle fibre aggregeret parallelt med hinanden, genererer tykke "nanocables" med forbedrede mekaniske egenskaber og højere termiske stabiliteter.

Ved at anvende vores fotokemiske tilgang, polymerisationens samlingsvej ændres, påvirker den lokale fiberstruktur. Fibre dannet ved hjælp af vores strategi har færre strukturelle defekter end dem, der dyrkes uden cyklusaktivering. Vores mere 'perfekte' individuelle fibre forhindres således i at forgrene sig og opmuntres i stedet til at aggregere langs deres polymerisationsakse, giver anledning til robuste og organiserede kabler.

Hvorfor er resultaterne vigtige?

Et af fremskridtene i dette arbejde er udviklingen af ​​nye karakteriseringsmetoder (i samarbejde med laboratoriet af prof. Gonzalo Cosa) for at forstå samling på enkeltfiberniveau. Mens enkelt-molekyle fluorescensteknikker er blevet brugt i vid udstrækning til at studere biologiske systemer, denne undersøgelse markerer den første direkte observation af de forskellige mekanismer for supramolekylær polymerisation, og det første optiske assay udviklet til at undersøge heterogeniteten af ​​supramolekylære polymerer.

Vi forventer, at disse nye metoder vil være bredt anvendelige til studiet af både naturlige og syntetiske materialer og kan give vigtig indsigt i, hvordan naturen kontrollerer egenskaberne af sit funktionelle væv, gør det muligt for forskere at producere mere dynamiske og tunbare materialer.

Når vi identificerer ufuldkommenheder i et materiale, vi kan skille det ad og ændre vejen for dets genmontering for at forfine strukturen. Dette resulterer i mere robuste biomaterialer, der kan bruges som stilladser til cellulær vækst, vævsregenerering, og organisation af nanomaterialer.