Il DNA si è evoluto per immagazzinare informazioni genetiche, ma in linea di principio questo speciale, La molecola a catena può anche essere adattata per creare nuovi materiali. I chimici dello Scripps Research Institute (TSRI) hanno ora pubblicato un'importante dimostrazione di questo riutilizzo del DNA per creare nuove sostanze con possibili applicazioni mediche.

Floyd Romesberg e Tingjian Chen del TSRI, in uno studio pubblicato online sulla rivista di chimica Angewandte Chemie , hanno dimostrato di poter apportare diverse modifiche chimiche potenzialmente preziose ai nucleotidi del DNA e produrre quantità utili del DNA modificato. I chimici hanno dimostrato il loro nuovo approccio realizzando un test basato sul DNA, idrogel che assorbe l'acqua che alla fine può avere molteplici usi medici e scientifici.

"Il DNA ha alcune proprietà uniche come materiale, e con questa nuova capacità di modificarlo e replicarlo come un normale DNA, possiamo davvero iniziare ad esplorare alcune interessanti potenziali applicazioni, " disse Romesberg, un professore di chimica al TSRI.

Il laboratorio di Romesberg nell'ultimo decennio ha aiutato metodi pionieristici per produrre DNA modificato, con l'obiettivo finale di sviluppare nuovi farmaci di valore, sonde e materiali, persino forme di vita artificiali. Il team ha raggiunto un importante traguardo lo scorso anno con un'impresa riportata su Nature Chemistry:lo sviluppo di un enzima artificiale della DNA polimerasi in grado di creare copie di DNA modificato, proprio come le normali DNA polimerasi replicano il DNA normale.

Le modifiche del DNA testate in quello studio riguardavano solo l'attaccamento di porzioni di fluoro (F) o metossi (O-CH3) alla struttura zuccherina dei nucleotidi del DNA, modifiche che in linea di principio migliorerebbero le proprietà dei farmaci a base di DNA. Nel nuovo studio, Chen e Romesberg hanno dimostrato diverse altre modifiche che la loro polimerasi SFM4-3 può replicare e, così facendo, ha aperto la porta alla progettazione di DNA modificato per una gamma molto più ampia di applicazioni.

Una delle nuove modifiche aggiunge un gruppo azido (N3), un comodo punto di attacco per molte altre molecole tramite un insieme di tecniche relativamente semplici chiamate "click chemistry, " ha anche aperto la strada al TSRI. I chimici del TSRI hanno dimostrato che la polimerasi SFM4-3 può replicare nucleotidi modificati con azido con un'adeguata fedeltà e può amplificare esponenzialmente i filamenti di questo DNA modificato utilizzando un metodo di laboratorio comune, reazione a catena della polimerasi (PCR). La chimica del clic può quindi essere utilizzata per aggiungere una qualsiasi di un'ampia varietà di molecole diverse al DNA tramite il gruppo azido.

"Con l'azido-DNA e la chimica del clic, siamo stati in grado di produrre DNA altamente funzionalizzato, compreso il DNA modificato con un'intensa concentrazione di molecole faro fluorescenti e il DNA contrassegnato con un manico chimico chiamato biotina, " disse Chen, che è un ricercatore associato post-dottorato nel Laboratorio Romesberg.

Gli scienziati in una dimostrazione più avanzata hanno utilizzato la chimica del clic per fissare più filamenti di DNA a un filamento di DNA modificato con azido, creando una struttura a "spazzola per bottiglie". Hanno quindi usato l'assemblaggio per amplificare il DNA tramite PCR per ottenere una grande rete di DNA che, con loro sorpresa, ha formato un idrogel quando esposto all'acqua.

"Gli idrogel sono al centro di grande interesse in questi giorni perché hanno molte potenziali applicazioni, sebbene ci siano relativamente pochi modi per la loro produzione controllata, ", ha detto Romesberg.

Il nuovo idrogel a base di DNA si è rivelato avere alcune proprietà intriganti. Chen e Romesberg hanno scoperto che potevano dissolverlo con enzimi che tagliano il DNA e in seguito riformarlo in qualsiasi stampo desiderato usando enzimi che uniscono il DNA, permettendo loro di formare e riformare l'idrogel con nuove strutture stabili. Anche le proteine ​​di prova poste all'interno dell'idrogel hanno mantenuto la loro attività biochimica.

"Pensiamo che questo idrogel possa avere applicazioni che vanno da nuove forme di somministrazione di farmaci alla crescita di cellule in colture tridimensionali, " disse Chen.

I ricercatori hanno dimostrato che la polimerasi SFM4-3 può essere utilizzata anche per replicare e amplificare il DNA che è stato modificato con altri tre tipi di aggiunte allo zucchero della spina dorsale:un gruppo cloro (Cl) o amminico (NH2), o un gruppo ossidrile (OH) che si combina con la spina dorsale per formare uno zucchero arabinosio.

Chen e Romesberg stanno ora cercando ulteriori modifiche del DNA che possono essere replicate utilizzando la polimerasi SFM4-3. Allo stesso tempo, i ricercatori stanno perseguendo applicazioni specifiche del loro DNA modificato, compresi i nuovi idrogel.

"Dato che il DNA può avere sequenze diverse che conferiscono proprietà diverse, possiamo anche iniziare a pensare all'evoluzione dei nanomateriali con le attività desiderate, ", ha detto Romesberg.