Il nuovo approccio ha preso qualcosa di vecchio, ovvero coloranti fluorescenti che si legano agli acidi nucleici, e lo ha trasformato in qualcosa di nuovo, un fotocatalizzatore versatile che consente un controllo preciso sulla reazione di polimerizzazione.

"I coloranti che legano gli acidi nucleici sono interessanti molecole fluorescenti che si illuminano e si attivano esclusivamente in presenza di acidi nucleici. Di conseguenza, nel nostro sistema, la polimerizzazione avviene solo in presenza di acidi nucleici, permettendoci di manipolare il processo selezionando gli acidi nucleici appropriati come cofattori", ha affermato il dottorando in chimica Jaepil Jeong.

Il lavoro, pubblicato sul Journal of American Chemical Society , secondo gli scienziati, è promettente per l'avanzamento del campo emergente dei materiali e delle tecnologie basati sugli acidi nucleici, tra cui fotoATRP a controllo logico, nanofabbricazione e rilevamento di agenti patogeni.

L'ATRP, il metodo più robusto di polimerizzazione controllata, consente agli scienziati di unire insieme piccole molecole chiamate monomeri pezzo per pezzo, ottenendo polimeri altamente personalizzati con proprietà specifiche. L'ATRP può essere interrotto o riavviato a piacimento, a seconda di come vengono variate le condizioni della reazione.

Un modo per controllare la reazione è utilizzare fotocatalizzatori, materiali che possono modificare la velocità di una reazione chimica essendo esposti alla luce. Sebbene esistano sistemi di fotopolimerizzazione che utilizzano semplici coloranti fluorescenti che si attivano quando esposti alla luce, il team della Carnegie Mellon ha fatto un ulteriore passo avanti utilizzando coloranti che legano gli acidi nucleici.

I coloranti leganti gli acidi nucleici sono sonde fluorescenti che si illuminano dopo essersi legati agli acidi nucleici. Sono stati ampiamente utilizzati nei campi della nanotecnologia e della biotecnologia per applicazioni diagnostiche e analitiche.

"Come scienziati e chimici degli acidi nucleici, usiamo sempre coloranti per visualizzare il DNA o l'RNA con coloranti fluorescenti. Ma ora, invece di rilevare semplicemente la fluorescenza, stai usando quella fluorescenza per fare la polimerizzazione", ha detto Subha R. Das, professore associato di chimica e membro del Centro per la scienza e la tecnologia degli acidi nucleici della Carnegie Mellon.

"Nel nostro nuovo sistema, solo quando c'è DNA o RNA c'è fluorescenza, quindi solo allora si avrà la catalisi", ha aggiunto Das.

Poiché esistono coloranti che legano gli acidi nucleici che si legano a DNA o RNA specifici, i chimici possono progettare il processo di polimerizzazione in modo che avvenga esclusivamente in presenza di sequenze o strutture specifiche di acidi nucleici.

Jeong, co-consulente da Das e Krzysztof Matyjaszewski, professore di scienze naturali della J.C. Warner University, è stato in grado di vedere il potenziale dei coloranti al di fuori del loro uso comune.

Jeong ha testato il suo concetto utilizzando coloranti popolari che legano gli acidi nucleici accoppiati con diversi acidi nucleici, dal semplice DNA di salmone e RNA di lievito a scaffold più complessi come il DNA G-quadruplex e i nanofiori di DNA. Innanzitutto, ha confermato che la polimerizzazione non è avvenuta senza la presenza di acido nucleico. Una volta aggiunte le impalcature degli acidi nucleici, i coloranti si legavano ad esse e diventavano fluorescenti quando esposti alla luce.

Jeong ha scoperto che, legandosi agli acidi nucleici, i coloranti spesso mostravano una resa quantica di fluorescenza significativamente migliorata e una durata fluorescente prolungata. Ciò ha consentito un efficiente trasferimento di elettroni al catalizzatore di rame che alimenta la reazione ATRP. Inoltre, i ricercatori hanno notato un aumento delle conversioni dei monomeri quando utilizzavano quantità maggiori di DNA.

"Sfruttando le proprietà uniche dei coloranti che legano gli acidi nucleici per consentire la polimerizzazione esclusivamente in presenza di scaffold di acidi nucleici, questo nuovo approccio offre un modo interessante per costruire macromolecole con architetture complesse", ha affermato Matyjaszewski, che ha sviluppato ATRP nel 1995 e continua a farlo innovare e migliorare la tecnica.

"Utilizza anche l'ATRP per amplificare i segnali fluorescenti producendo polimeri ad alto peso molecolare solo quando colorante e acidi nucleici sono presenti insieme."

Selezionando gli acidi nucleici appropriati come cofattori nella reazione, i chimici possono ottenere un migliore controllo sulla polimerizzazione specifica che stanno cercando di ottenere.

Insieme a Jeong, Matyjaszewski e Das, Marco Fantin dell'Università di Padova è uno degli autori dell'articolo. Fantin, che in precedenza ha lavorato come ricercatore post-dottorato con Matyjaszewski, ha fornito competenze sui dettagli degli aspetti elettrochimici del meccanismo fotocatalitico.

Jeong, che si è laureato a maggio, ha affermato di aver avuto il privilegio di essere guidato da consulenti con competenze diverse, che gli hanno permesso di acquisire conoscenze e competenze in due campi distinti:chimica dei polimeri e ingegneria degli acidi nucleici.

"L'idea di utilizzare acidi nucleici e coloranti leganti come fotocatalizzatori è stata il risultato della guida attenta e interdisciplinare dei miei consulenti", ha affermato.