Gli scienziati dei materiali hanno scritto la ricetta su come utilizzare un enzima strano per costruire nuovi biomateriali dal DNA. Il lavoro fornisce istruzioni ai ricercatori di tutto il mondo per costruire molecole autoassemblanti per applicazioni che vanno dalla somministrazione di farmaci ai nanofili.

Il macchinario molecolare del corpo umano si basa tipicamente su modelli genetici per eseguire la costruzione. Per esempio, macchine molecolari chiamate DNA polimerasi leggono il DNA base per base per costruire copie accurate.

Ci sono, però, alcune pecore nere nel mondo della biologia molecolare che non richiedono un modello. Uno di questi valori anomali, chiamata desossinucleotidil transferasi terminale (TdT), funziona nel sistema immunitario e catalizza l'aggiunta senza stampo di nucleotidi, gli elementi costitutivi del DNA, a un DNA a singolo filamento.

Sequenze nucleotidiche apparentemente casuali in un singolo filamento di DNA non sembrerebbero avere un grande uso biologico, ma gli scienziati dei materiali hanno scoperto cosa farne.

In un nuovo documento, I ricercatori della Duke University si basano sul loro lavoro precedente e ora descrivono in dettaglio come l'enzima TdT può produrre dati precisi, alto peso molecolare, strutture biomolecolari sintetiche molto più facilmente dei metodi attuali. I ricercatori possono personalizzare la sintesi per creare DNA a filamento singolo che si autoassembla in contenitori a forma di palla per la somministrazione di farmaci o per incorporare nucleotidi innaturali per fornire accesso a un'ampia gamma di capacità utili dal punto di vista medico.

I risultati appaiono online il 15 maggio 2017 sulla rivista Angewandte Chemie Edizione Internazionale .

"Siamo i primi a mostrare come TdT può costruire singoli filamenti di DNA altamente controllati che possono autoassemblarsi in strutture più grandi, " ha detto Stefan Zauscher, il professore della famiglia Sternberg di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke University. "Si possono già realizzare materiali simili, ma il processo è lungo e complicato, richiedendo reazioni multiple. Possiamo farlo in una frazione del tempo in un unico piatto".

TdT ha un vantaggio rispetto al tipico, reazioni sintetiche di costruzione della catena in quanto continua ad aggiungere nucleotidi alla fine della catena in crescita finché sono disponibili. Questo apre un vasto spazio di progettazione agli scienziati dei materiali.

Perché gli enzimi lavorano tutti allo stesso ritmo e non si fermano mai, i filamenti di DNA risultanti sono tutti di dimensioni molto vicine tra loro, un tratto importante per il controllo delle loro proprietà meccaniche. Il processo senza fine significa anche che i ricercatori possono alimentare forzatamente TdT con qualsiasi nucleotide che desiderano, anche quelli innaturali, semplicemente non fornendo altre opzioni.

"Il tuo corpo produce filamenti di DNA da soli quattro nucleotidi:adenina, guanina, citosina e uracile, " disse Chilkoti, l'Alan L. Kaganov Professor e presidente del dipartimento di ingegneria biomedica alla Duke. "Ma possiamo creare nucleotidi sintetici e forzare l'enzima a incorporarli. Questo apre molte porte nella produzione di polimeri a base di DNA per diverse applicazioni".

Per esempio, nucleotidi innaturali possono incorporare molecole progettate per facilitare la "chimica del clic", consentendo l'attaccamento di un'intera suite di biomolecole. I ricercatori possono anche avviare il processo di costruzione con una base costituita da una specifica sequenza di DNA, chiamato aptamero, che può colpire proteine ​​e cellule specifiche.

"Questo enzima esiste da decenni, ma questa è la prima volta che qualcuno ha mappato questi concetti in un progetto per sintetizzare un'intera nuova famiglia di polinucleotidi, " disse Zauscher. "In passato, i biochimici sono stati in gran parte interessati a cosa fa TdT nel sistema immunologico umano e come lo fa. Non ci interessa tutto questo, siamo solo interessati a quali elementi costitutivi materiali possiamo realizzare con esso. E la precisione con cui possiamo produrre polimeri con questo enzima è davvero eccezionale".