Låsning af PNAs superkræfter til selvsamling af nanostrukturer

Forskere ved Carnegie Mellon University har udviklet en metode til selvsamling af nanostrukturer med gammamodificeret peptidnukleinsyre (γPNA), en syntetisk efterligning af DNA. Processen har potentiale til at påvirke nanomanagement samt fremtidige biomedicinske teknologier som målrettet diagnostik og lægemiddellevering.

Udgivet i denne uge i Naturkommunikation , arbejdet introducerer en videnskab om γPNA nanoteknologi, der muliggør selvsamling i organiske opløsningsmiddelopløsninger, de barske miljøer, der anvendes i peptid- og polymersyntese. Dette giver løfte om nanofabrikation og nanosensing.

Forskergruppen, ledet af adjunkt i maskinteknik Rebecca Taylor, rapporterede, at γPNA kan danne nanofibre i organiske opløsningsmiddelopløsninger, der kan blive op til 11 mikrometer lange (mere end 1000 gange længere end deres bredde). Disse repræsenterer det første kompleks, alle-PNA-nanostrukturer, der skal dannes i organiske opløsningsmidler.

Taylor, der leder lederne af Microsystems and MechanoBiology Lab i Carnegie Mellon, ønsker at udnytte PNA's "supermagter". Ud over den højere termiske stabilitet, γPNA bevarer evnen til at binde til andre nukleinsyrer i blandinger af organiske opløsningsmidler, der typisk ville destabilisere strukturel DNA -nanoteknologi. Det betyder, at de kan danne nanostrukturer i opløsningsmiddelmiljøer, der forhindrer dannelse af DNA-baserede nanostrukturer.

En anden egenskab ved γPNA er, at det er mindre snoet end den dobbelte helix af DNA. Resultatet af denne forskel er, at "reglerne" for design af PNA-baserede nanostrukturer er anderledes end reglerne for design af strukturel DNA-nanoteknologi.

"Som mekaniske ingeniører, vi var forberedt på udfordringen med at løse et strukturelt designproblem, Sagde Taylor. "På grund af det usædvanlige spiralformede twist, vi måtte finde på en ny tilgang til at væve disse stykker sammen. "

Fordi forskerne i Taylors laboratorium søger at bruge dynamisk formændring i deres nanostrukturer, de var fascinerede af at opdage, at morfologiske ændringer - som afstivning eller opklaring - opstod, da de inkorporerede DNA i γPNA -nanostrukturer.

Andre interessante egenskaber, som forskerne ønsker at undersøge yderligere, omfatter opløselighed i vand og aggregering. I vand, disse nuværende nanofibre har en tendens til at klumpe sig sammen. I blandinger af organiske opløsningsmidler, Taylor -laboratoriet har vist, at de kan kontrollere, om strukturer samles eller ej, og Taylor mener, at aggregeringen er en funktion, der kan udnyttes.

"Disse nanofibre følger Watson-Crick-bindingsreglerne for DNA, men de ser ud til at virke mere og mere som peptider og proteiner, efterhånden som PNA -strukturer vokser i størrelse og kompleksitet. DNA -strukturer frastøder hinanden, men disse nye materialer gør det ikke, og potentielt kan vi udnytte dette til at skabe responsive overfladebelægninger, "sagde Taylor.

Det syntetiske γPNA -molekyle er blevet opfattet som en simpel DNA -efterligning med ønskelige egenskaber, såsom høj biostabilitet og stærk affinitet for komplementære nukleinsyrer.

"Vi tror på dette arbejde, vi kunne yderligere justere denne opfattelse ved at fremhæve γPNA's evne til at fungere som begge dele - som et peptid -efterligning på grund af dets pseudopeptid -rygrad og som et DNA -efterligning på grund af dets sekvenskomplementaritet. Denne ændring i opfattelse kan give os mulighed for at forstå de flere identiteter, som dette molekyle kan udnytte i verden af ​​PNA -nanostrukturdesign, "sagde Sriram Kumar, en maskinteknisk ph.d. kandidat og den første forfatter på papiret.

Selvom PNA allerede bruges i banebrydende genterapiapplikationer, der er stadig meget at lære om dette syntetiske materiales potentiale. Hvis komplekse PNA -nanostrukturer en dag kan dannes i vandige opløsninger, Taylors team håber, at yderligere applikationer vil omfatte enzymresistente nanomaskiner, herunder biosensorer, diagnostik, og nanorobotter.

"PNA-peptidhybrider vil skabe et helt nyt værktøjskasse til forskere, "Sagde Taylor.

Forskerne brugte brugerdefinerede gammamodifikationer til PNA, der blev udviklet af Danith Ly's laboratorium i Carnegie Mellon. Fremtidigt arbejde vil undersøge venstrehåndede γPNA'er i nanofremstillingsprocessen. For fremtidige biomedicinske applikationer, venstrehåndede strukturer ville være af særlig interesse, fordi de ikke ville udgøre en risiko for binding til cellulært DNA.

Dette arbejde repræsenterer et tværfagligt samarbejde. Yderligere forfattere omfattede kemi ph.d. kandidat Alexander Pearse og maskinteknisk kandidat Ying Liu. Finansiering blev ydet af National Science Foundation og Air Force Office of Science Research.