Materialforskare har skrivit receptet på hur man använder ett udda enzym för att bygga nya biomaterial av DNA. Arbetet ger instruktioner för forskare över hela världen att bygga självmonterande molekyler för tillämpningar som sträcker sig från läkemedelsleverans till nanotrådar.

Människokroppens molekylära maskineri förlitar sig vanligtvis på genetiska mallar för att utföra konstruktionen. Till exempel, molekylära maskiner som kallas DNA-polymeraser läser DNA bas för bas för att skapa exakta kopior.

Det finns, dock, några få svarta får i molekylärbiologins värld som inte kräver en mall. En sådan extremist, kallas terminalt deoxinukleotidyltransferas (TdT), fungerar i immunsystemet och katalyserar den mallfria tillsatsen av nukleotider – byggstenarna i DNA – till ett enkelsträngat DNA.

Till synes slumpmässiga nukleotidsekvenser i en enda DNA-sträng verkar inte ha någon större biologisk användning - men materialforskare har kommit på vad de ska göra med det.

I en ny tidning, Duke University-forskare bygger vidare på sitt tidigare arbete och beskriver nu i detalj hur TdT-enzymet kan producera exakt, hög molekylvikt, syntetiska biomolekylära strukturer mycket lättare än nuvarande metoder. Forskare kan skräddarsy syntes för att skapa enkelsträngat DNA som självmonteras till bollliknande behållare för läkemedelstillförsel eller för att inkorporera onaturliga nukleotider för att ge tillgång till ett brett utbud av medicinskt användbara förmågor.

Resultaten visas online den 15 maj, 2017 i tidningen Angewandte Chemie International Edition .

"Vi är de första som visar hur TdT kan bygga mycket kontrollerade enkla DNA-strängar som kan självmontera till större strukturer, sa Stefan Zauscher, familjen Sternberg professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke University. "Liknande material kan redan tillverkas, men processen är lång och komplicerad, kräver flera reaktioner. Vi kan göra det på en bråkdel av tiden i en enda pott."

TdT har fördel framför typiska, syntetiska kedjebyggande reaktioner genom att den fortsätter att lägga till nukleotider i slutet av den växande kedjan så länge de är tillgängliga. Detta öppnar ett stort designutrymme för materialvetare.

Eftersom enzymerna alla arbetar i samma takt och aldrig slutar, de resulterande DNA-strängarna är alla mycket nära varandra i storlek - en viktig egenskap för att kontrollera deras mekaniska egenskaper. Den oändliga processen innebär också att forskare kan tvångsmata TdT vilken nukleotid de vill – även onaturliga sådana – helt enkelt genom att inte ge några andra alternativ.

"Din kropp gör DNA-strängar av endast fyra nukleotider - adenin, guanin, cytosin och uracil, sade Chilkoti, Alan L. Kaganov Professor och ordförande för avdelningen för biomedicinsk teknik vid Duke. "Men vi kan skapa syntetiska nukleotider och tvinga enzymet att införliva dem. Detta öppnar många dörrar för att göra DNA-baserade polymerer för olika tillämpningar."

Till exempel, onaturliga nukleotider kan inkorporera molekyler utformade för att underlätta "klickkemi" - vilket möjliggör vidhäftning av en hel uppsättning biomolekyler. Forskare kan också starta byggprocessen med en grund gjord av en specifik DNA-sekvens, kallas en aptamer, som kan rikta in sig på specifika proteiner och celler.

"Det här enzymet har funnits i decennier, men det här är första gången någon har kartlagt dessa koncept till en plan för att syntetisera en helt ny familj av polynukleotider, sade Zauscher. Förr i tiden, biokemister har till stor del varit intresserade av vad TdT gör i det mänskliga immunologiska systemet och hur det gör det. Vi bryr oss inte om allt det där, vi är bara intresserade av vilket material byggstenar vi kan göra med det. Och precisionen med vilken vi kan göra polymerer med detta enzym är faktiskt ganska exceptionell."