Il DNA può fare molto di più che trasmettere il codice genetico da una generazione a quella successiva. Da quasi 20 anni, gli scienziati conoscono la capacità della molecola di stabilizzare gruppi di atomi d'argento di dimensioni nanometriche. Alcune di queste strutture si illuminano visibilmente di rosso e verde, rendendole utili in una varietà di applicazioni chimiche e di biorilevamento.

Stacy Copp, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali all'UCI, voleva vedere se le capacità di questi minuscoli marcatori fluorescenti potessero essere ampliate ulteriormente, nella gamma del vicino infrarosso dello spettro elettromagnetico, per dare ai ricercatori di bioscienza il potere di vedere attraverso la vita. cellule e persino centimetri di tessuto biologico, aprendo le porte a metodi avanzati di rilevamento e trattamento delle malattie.

"Esiste un potenziale non sfruttato per estendere la fluorescenza dei nanocluster d'argento stabilizzati dal DNA nella regione del vicino infrarosso", afferma. "Il motivo per cui è così interessante è perché i nostri tessuti e fluidi biologici sono molto più trasparenti alla luce del vicino infrarosso che alla luce visibile."

Copp afferma che scienziati e ingegneri sono alla ricerca di nuovi modi per scansionare i tessuti corporei per evitare gli effetti collaterali mutanti dei raggi X o far ingerire radionuclidi ai pazienti per rilevare i tumori. "Ci sono molte ragioni per cui sarebbe entusiasmante utilizzare la luce del vicino infrarosso non invasiva e non pericolosa, che fondamentalmente è calore", afferma. "Ma una delle sfide più grandi è che non disponiamo di fluorofori buoni e non tossici, ovvero molecole o nanoparticelle che emettono questa luce nel vicino infrarosso."

Le persone sono consapevoli dei poteri antimicrobici dell’argento fin dai tempi antichi. L'elemento uccide i batteri ma è benigno per la maggior parte delle cellule dei mammiferi; viene utilizzato anche per combattere gli odori in alcuni tessuti indossati dagli esseri umani. Copp afferma che studi recenti hanno dimostrato che i nanocluster d'argento stabilizzati dal DNA hanno una bassa citotossicità e il DNA è intrinsecamente biocompatibile, il che rende questi composti potenzialmente sicuri da usare in ambito clinico.

Come per molte cose legate al DNA, esiste una quantità quasi incomprensibile di permutazioni di sequenze, solo un piccolo sottoinsieme delle quali possiede le qualità fluorescenti ricercate dai ricercatori. Mentre era all'UC Santa Barbara, Copp faceva parte di un team che ha progettato uno strumento in grado di scansionare rapidamente centinaia di nanocluster d'argento alla volta per vedere se hanno emissioni nel vicino infrarosso. Con questo strumento, gli scienziati sono stati in grado di trovare un gran numero di sequenze candidate precedentemente nascoste.

Nel suo laboratorio presso l'edificio interdisciplinare di scienza e ingegneria Susan and Henry Samueli dell'UCI, Copp ha avviato un progetto con Peter Mastracco, il suo primo dottorato di ricerca. studentessa, per trarre vantaggio dai nuovi dati che collegano le sequenze di DNA ai colori dei nanocluster, che Copp dice di paragonare a un "genoma di nanocluster". Ha chiesto a Mastracco di sviluppare un metodo di apprendimento automatico che potrebbe aiutarli ad analizzare montagne di dati sperimentali per ottenere nuove sequenze di DNA, che possono essere create in laboratorio, che aprono l'accesso alla regione del vicino infrarosso.

All'inizio del progetto, Mastracco ha trovato un documento di ricerca che mostrava la struttura cristallina a raggi X di un nanocluster d'argento stabilizzato con DNA. "Ci ha letteralmente fornito un'immagine di dove si trovano tutti gli atomi d'argento e di come il DNA è ripiegato attorno al nanocluster", afferma Copp. "E ha notato qualcosa che non avevo notato prima, ovvero che il DNA si ripiegava attorno al nanocluster in un modo particolare."

I ricercatori hanno ipotizzato che se codificassero le informazioni su questa peculiarità di ripiegamento nei loro modelli di apprendimento automatico, potrebbero essere in grado di prevedere il colore della fluorescenza dei nanocluster.

Parte del dottorato di ricerca di Mastracco. la formazione nel gruppo di Copp consisteva nel diventare un mentore. Nell'estate del 2020, durante uno dei primi picchi della pandemia di COVID-19, è stato abbinato a Josh Evans, uno studente del Chaffey College, un community college con campus nell'Inland Empire della California.

Secondo Copp, Evans ha ideato un modo creativo per interpretare più chiaramente i risultati dei modelli di Mastracco. "Alcuni di questi algoritmi possono funzionare come una scatola nera", afferma Copp. "Fornisci un set di dati all'algoritmo di apprendimento automatico e lui apprende le tendenze in tali dati e questo ti aiuta a fare previsioni. Ma può davvero essere difficile aprire il coperchio per scoprire cosa sta succedendo nella scatola."

Evans ha contribuito a risolvere questo problema utilizzando uno "strumento di selezione delle caratteristiche" che ha permesso al team di determinare quale parte della sequenza del DNA era correlata ai diversi colori di fluorescenza dei nanocluster.

Copp afferma che la svolta è diventata un contributo essenziale a un articolo di ricerca, con Mastracco come autore principale, pubblicato sulla rivista ACS Nano .

Il lavoro del gruppo di ricerca Copp sui nanocluster fluorescenti continua a ritmo sostenuto. Recentemente hanno pubblicato un secondo articolo sull'argomento nel Journal of the American Chemical Society , questo guidato dal Ph.D. la studentessa Anna Gonzalez Rosell, che ha fatto da mentore al coautore universitario dell'UCI Nery Arevalos.

"Il documento rappresenta un progresso fondamentale nello sviluppo di nanocluster veramente biocompatibili per l'imaging nel vicino infrarosso", afferma Copp. "Molti dei miei studenti hanno lavorato a questi documenti e il tutoraggio universitario ha svolto un ruolo fondamentale nei progetti. È un accordo che funziona incredibilmente bene in termini di fornitura di risultati di ricerca e aiuto ai giovani scienziati a raggiungere i loro obiettivi."

Ulteriori informazioni: Peter Mastracco et al, L'apprendimento automatico basato sulla chimica consente la scoperta di nanocluster d'argento stabilizzati con DNA con fluorescenza nel vicino infrarosso, ACS Nano (2022). DOI:10.1021/acsnano.2c05390

Anna Gonzàlez-Rosell et al, Cloruro Ligands su nanocluster d'argento stabilizzati dal DNA, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c01366

Informazioni sul giornale: Giornale dell'American Chemical Society , ACS Nano

Fornito dall'Università della California, Irvine