DNA utvecklades för att lagra genetisk information, men i princip denna speciella, kedjeliknande molekyl kan också anpassas för att tillverka nya material. Kemister vid The Scripps Research Institute (TSRI) har nu publicerat en viktig demonstration av denna återanvändning av DNA för att skapa nya ämnen med möjliga medicinska tillämpningar.

TSRI:s Floyd Romesberg och Tingjian Chen, i en studie publicerad online i kemistidningen Angewandte Chemie , visade att de kunde göra flera potentiellt värdefulla kemiska modifieringar av DNA -nukleotider och producera användbara mängder av det modifierade DNA:t. Kemisterna demonstrerade sitt nya tillvägagångssätt genom att göra ett DNA-baserat, vattenabsorberande hydrogel som i slutändan kan ha flera medicinska och vetenskapliga användningsområden.

"DNA har några unika egenskaper som material, och med denna nya förmåga att modifiera det och replikera det som normalt DNA, vi kan verkligen börja utforska några intressanta potentiella applikationer, sade Romesberg, professor i kemi vid TSRI.

Romesbergs laboratorium under det senaste decenniet har hjälpt pionjärmetoder för att göra modifierat DNA, med det yttersta målet att utveckla värdefulla nya läkemedel, sonder och material - även artificiella livsformer. Teamet nådde en viktig milstolpe förra året med en prestation som rapporterades i Nature Chemistry:utvecklingen av ett artificiellt DNA -polymerasenzym som kan göra kopior av modifierat DNA, ungefär som vanliga DNA -polymeraser replikerar normalt DNA.

DNA-modifieringarna som testades i den studien involverade endast fastsättning av fluor (F) eller metoxi (O-CH3) -delar till sockerskelettet i DNA-nukleotider-modifieringar som i princip skulle förbättra egenskaperna hos DNA-baserade läkemedel. I den nya studien, Chen och Romesberg demonstrerade flera andra modifieringar som deras polymeras SFM4-3 kan replikera och, därvid, öppnade dörren till designen av modifierat DNA för ett mycket bredare användningsområde.

En av de nya modifieringarna lägger till en azidogrupp (N3), en bekväm fästpunkt för många andra molekyler via en relativt enkel uppsättning tekniker som kallas "klickkemi, "var också pionjärer inom TSRI. TSRI-kemisterna visade att SFM4-3-polymeraset kan replikera azidomodifierade nukleotider med tillräcklig trohet och kan exponentiellt förstärka strängar av detta modifierade DNA med hjälp av en vanlig laboratoriemetod, polymeraskedjereaktion (PCR). Klicka -kemi kan sedan användas för att lägga till vilken som helst av en mängd olika molekyler till DNA via azidogruppen.

"Med azido-DNA och klickkemi, vi kunde producera högfunktionaliserat DNA, inklusive DNA modifierat med en intensiv koncentration av fluorescerande fyrmolekyler och DNA märkt med ett kemiskt handtag som kallas biotin, "sa Chen, som är postdoktor i forskningen vid Romesberglaboratoriet.

Forskarna i en mer avancerad demonstration använde klickkemi för att fästa flera DNA -strängar till en central, azido-modifierad DNA-sträng, skapa en "flaskborste" -struktur. De använde sedan sammansättningen för att förstärka DNA via PCR för att erhålla ett stort nät av DNA som - till deras förvåning - bildade en hydrogel när den utsattes för vatten.

"Hydrogels är ett fokus av stort intresse i dessa dagar eftersom de har många potentiella applikationer, även om det finns relativt få sätt för deras kontrollerade produktion, Sa Romesberg.

Den nya DNA-baserade hydrogel visade sig ha några spännande egenskaper. Chen och Romesberg fann att de kunde lösa det med DNA-skärande enzymer och senare reformera det i vilken önskad form som helst med hjälp av DNA-förenande enzymer, så att de kan bilda och reformera hydrogeln med nya stabila strukturer. Testproteiner placerade i hydrogeln behöll också sin biokemiska aktivitet.

"Vi tror att denna hydrogel kan ha tillämpningar som sträcker sig från nya former av läkemedelsleverans till odling av celler i tredimensionella kulturer, "Sa Chen.

Forskarna visade att SFM4-3-polymeraset också kan användas för att replikera och förstärka DNA som har modifierats med tre andra typer av tillägg till ryggradssockret:en klor (Cl) eller amino (NH2) grupp, eller en hydroxylgrupp (OH) som kombineras med ryggraden för att bilda ett arabinosocker.

Chen och Romesberg letar nu efter ytterligare DNA-modifieringar som kan replikeras med SFM4-3-polymeras. På samma gång, forskarna driver specifika tillämpningar av deras modifierade DNA, inklusive nya hydrogeler.

"Med tanke på att DNA kan ha olika sekvenser som ger olika egenskaper, vi kan till och med börja tänka på att utveckla nanomaterial med önskad verksamhet, Sa Romesberg.