Kemikere bruger nukleinsyrebindende farvestoffer som fotokatalysatorer til en populær polymeriseringsmetode

Forskere ved Carnegie Mellon University's Department of Chemistry har udviklet en nukleinsyrebaseret fotokatalysator, der præcist kan kontrollere atom transfer radikal polymerisation (ATRP), en populær metode, der bruges til at generere en lang række materialer med meget specifikke, skræddersyede funktionaliteter.

Den nye tilgang tog noget gammelt - fluorescerende farvestoffer, der binder til nukleinsyrer - og gjorde det til noget nyt - en alsidig fotokatalysator, der giver mulighed for præcis kontrol over polymerisationsreaktionen.

"Nukleinsyrebindende farvestoffer er spændende fluorescerende molekyler, der lyser og bliver aktiveret udelukkende i nærvær af nukleinsyrer. Som følge heraf sker polymerisering i vores system kun i nærvær af nukleinsyrer, hvilket giver os mulighed for at manipulere processen ved at vælge passende nukleinsyrer. som cofaktorer," sagde kemidoktorand Jaepil Jeong.

Værket, offentliggjort i Journal of the American Chemical Society , giver løfte om at fremme det nye område af nukleinsyrebaserede materialer og teknologier, herunder logisk kontrolleret photoATRP, nanofabrikation og patogendetektion, ifølge forskerne.

ATRP, den mest robuste metode til kontrolleret polymerisering, giver forskere mulighed for at sammenkæde små molekyler kaldet monomerer på en stykke-for-stykke måde, hvilket resulterer i meget skræddersyede polymerer med specifikke egenskaber. ATRP kan lukkes ned eller genstartes efter ønske, afhængigt af hvordan reaktionsbetingelserne varieres.

En måde at kontrollere reaktionen på er ved at bruge fotokatalysatorer, materialer, der kan ændre hastigheden af ​​en kemisk reaktion ved at blive udsat for lys. Mens der er fotopolymeriseringssystemer, der bruger simple fluorescerende farvestoffer, der aktiveres, når de udsættes for lys, tog Carnegie Mellon-teamet det et skridt videre ved at bruge nukleinsyrebindende farvestoffer.

Nukleinsyrebindende farvestoffer er fluorescerende prober, der lyser op efter binding til nukleinsyrer. De er blevet brugt i vid udstrækning inden for nano- og bioteknologi til diagnostiske og analytiske anvendelser.

"Som nukleinsyreforskere og kemikere bruger vi farvestoffer hele tiden til at visualisere DNA eller RNA med fluorescerende farvestoffer. Men nu, i stedet for blot at detektere fluorescensen, bruger du den fluorescens til at lave polymerisering," sagde Subha R. Das, lektor i kemi og medlem af Carnegie Mellon's Center for Nucleic Acids Science and Technology.

"I vores nye system er der kun fluorescens, når der er DNA eller RNA, så først da vil du have katalysen," tilføjede Das.

Fordi der er nukleinsyrebindende farvestoffer, der binder til specifikt DNA eller RNA, kan kemikere designe polymeriseringsprocessen til udelukkende at finde sted i nærværelse af specifikke sekvenser eller strukturer af nukleinsyrer.

Jeong, som rådgives i fællesskab af Das og Krzysztof Matyjaszewski, J.C. Warner University professor i naturvidenskab, var i stand til at se farvestoffernes potentiale uden for deres almindelige brug.

Jeong testede sit koncept ved at bruge populære nukleinsyrebindende farvestoffer parret med forskellige nukleinsyrer, fra simpelt laks-DNA og gær-RNA til mere komplekse stilladser som G-quadruplex-DNA og DNA-nanoblomster. For det første bekræftede han, at polymerisering ikke fandt sted uden nukleinsyre til stede. Når først nukleinsyrestilladserne var tilføjet, bandt farvestofferne sig til dem og fluorescerede, når de blev udsat for lys.

Jeong fandt ud af, at farvestofferne efter binding til nukleinsyrer ofte udviste et signifikant forbedret fluorescenskvanteudbytte og en forlænget fluorescenslevetid. Dette muliggjorde effektiv elektronoverførsel til kobberkatalysatoren, der driver ATRP-reaktionen. Derudover bemærkede forskerne øgede monomeromdannelser, når de brugte større mængder DNA.

"Ved at udnytte de unikke egenskaber ved nukleinsyrebindende farvestoffer til at muliggøre polymerisering udelukkende i nærvær af nukleinsyrestilladser, tilbyder denne nye tilgang en attraktiv måde at bygge makromolekyler med komplekse arkitekturer på," sagde Matyjaszewski, der udviklede ATRP i 1995 og fortsætter med at forny og forbedre teknikken.

"Det bruger også ATRP til at forstærke fluorescerende signaler ved kun at producere højmolekylære polymerer, når farvestof og nukleinsyrer er til stede sammen."

Ved at vælge passende nukleinsyrer som cofaktorer i reaktionen kan kemikere opnå bedre kontrol over den specifikke polymerisation, de forsøger at opnå.

Sammen med Jeong, Matyjaszewski og Das er Marco Fantin fra University of Padova forfatter på papiret. Fantin, der tidligere arbejdede som postdoc hos Matyjaszewski, leverede ekspertise om detaljerne i de elektrokemiske aspekter af den fotokatalytiske mekanisme.

Jeong, som dimitterede i maj, sagde, at han havde det privilegium at blive vejledt af rådgivere med forskellig ekspertise, hvilket gjorde det muligt for ham at erhverve viden og færdigheder inden for to adskilte områder:polymerkemi og nukleinsyreteknik.

"Idéen til at bruge nukleinsyrer og bindende farvestoffer som fotokatalysatorer var et resultat af den tætte og tværfaglige vejledning fra mine rådgivere," sagde han.

Flere oplysninger: Jaepil Jeong et al., Nukleinsyrebindende farvestoffer som alsidige fotokatalysatorer for atomoverførsel af radikal polymerisation, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.4c03513

Journaloplysninger: Tidsskrift for American Chemical Society

Leveret af Carnegie Mellon University