I ricercatori della Carnegie Mellon University hanno sviluppato un metodo per nanostrutture autoassemblanti con acido nucleico peptidico modificato gamma (γPNA), un imitatore sintetico del DNA. Il processo ha il potenziale per avere un impatto sulla nanoproduzione e sulle future tecnologie biomediche come la diagnostica mirata e la somministrazione di farmaci.

Pubblicato questa settimana in Comunicazioni sulla natura , il lavoro introduce una scienza della nanotecnologia γPNA che consente l'autoassemblaggio in soluzioni di solventi organici, gli ambienti difficili utilizzati nella sintesi di peptidi e polimeri. Ciò è promettente per la nanofabbricazione e il nanosensore.

Il gruppo di ricerca, guidato dall'assistente professore di ingegneria meccanica Rebecca Taylor, ha riferito che γPNA può formare nanofibre in soluzioni di solventi organici che possono crescere fino a 11 micron di lunghezza (più di 1000 volte più lunga della loro larghezza). Questi rappresentano il primo complesso, nanostrutture all-PNA da formare in solventi organici.

Taylor, che dirige i capi del Microsystems and MechanoBiology Lab al Carnegie Mellon, vuole sfruttare i "superpoteri" dell'ANP. Oltre alla sua maggiore stabilità termica, γPNA mantiene la capacità di legarsi ad altri acidi nucleici in miscele di solventi organici che tipicamente destabilizzerebbero la nanotecnologia strutturale del DNA. Ciò significa che possono formare nanostrutture in ambienti con solventi che impediscono la formazione di nanostrutture a base di DNA.

Un'altra proprietà di γPNA è che è meno attorcigliata della doppia elica del DNA. Il risultato di questa differenza è che le "regole" per la progettazione di nanostrutture basate su PNA sono diverse dalle regole per la progettazione di nanotecnologie strutturali del DNA.

"Come ingegneri meccanici, eravamo preparati per la sfida di risolvere un problema di progettazione strutturale, ha detto Taylor. "A causa dell'insolita torsione elicoidale, abbiamo dovuto trovare un nuovo approccio per intrecciare questi pezzi".

Poiché i ricercatori del laboratorio di Taylor cercano di utilizzare il cambiamento di forma dinamico nelle loro nanostrutture, erano incuriositi dallo scoprire che i cambiamenti morfologici, come l'irrigidimento o il disfacimento, si verificavano quando incorporavano il DNA nelle nanostrutture γPNA.

Altre caratteristiche interessanti che i ricercatori vogliono esplorare ulteriormente includono la solubilità in acqua e l'aggregazione. In acqua, queste attuali nanofibre tendono ad aggregarsi. Nelle miscele di solventi organici, il laboratorio Taylor ha dimostrato di poter controllare se le strutture si aggregano o meno, e Taylor ritiene che l'aggregazione sia una caratteristica che può essere sfruttata.

"Queste nanofibre seguono le regole vincolanti del DNA Watson-Crick, ma sembrano agire sempre più come peptidi e proteine ​​man mano che le strutture PNA crescono in dimensioni e complessità. Le strutture del DNA si respingono, ma questi nuovi materiali no, e potenzialmente possiamo sfruttarlo per creare rivestimenti superficiali reattivi, " ha detto Taylor.

La molecola sintetica γPNA è stata percepita come un semplice mimo del DNA avente proprietà desiderabili come un'elevata biostabilità e una forte affinità per gli acidi nucleici complementari.

"Crediamo che attraverso questo lavoro, potremmo inoltre aggiustare questa percezione evidenziando la capacità di γPNA di agire sia come imitatore di peptidi a causa del suo scheletro pseudopeptidico che come imitatore di DNA a causa della sua complementarità di sequenza. Questo cambiamento di percezione potrebbe consentirci di comprendere le molteplici identità che questa molecola può sfruttare nel mondo della progettazione di nanostrutture PNA, " disse Sriram Kumar, un dottorato di ricerca in ingegneria meccanica candidato e il primo autore dell'articolo.

Sebbene il PNA sia già utilizzato in applicazioni di terapia genica rivoluzionarie, c'è ancora molto da imparare sulle potenzialità di questo materiale sintetico. Se un giorno si potranno formare complesse nanostrutture di PNA in soluzioni acquose, Il team di Taylor spera che ulteriori applicazioni includeranno nanomacchine resistenti agli enzimi, inclusi biosensori, diagnostica, e nanorobot.

"Gli ibridi PNA-peptide creeranno un kit di strumenti completamente nuovo per gli scienziati, " ha detto Taylor.

I ricercatori hanno utilizzato modifiche gamma personalizzate al PNA sviluppate dal laboratorio di Danith Ly al Carnegie Mellon. Il lavoro futuro indagherà sui γPNA mancini nel processo di nanofabbricazione. Per future applicazioni biomediche, strutture mancine sarebbero di particolare interesse perché non rappresenterebbero un rischio di legame al DNA cellulare.

Questo lavoro rappresenta una collaborazione interdisciplinare. Altri autori includevano il dottorato di ricerca in chimica. il candidato Alexander Pearse e il candidato di ingegneria meccanica Ying Liu. Il finanziamento è stato fornito dalla National Science Foundation e dall'Air Force Office of Science Research.