Forskare från McGill University tror att de har hittat ett sätt att förbättra utvecklingen av biomaterial som kan vara avgörande för läkemedelsleverans, vävnadsregenerering, nano-optik och nanoelektronik.

Laget, ledd av Hanadi Sleiman, Full professor och kanadensiska forskarstol på nivå 1 i DNA-nanovetenskap vid Institutionen för kemi, utvecklat en metod inspirerad av hur naturen reparerar defekta material för att skapa robustare former. De använde strålningen från en smart telefonkamera för att "slappna av" DNA-baserade strukturer och skapa verklighetstrogna material som kan varieras på begäran och användas för olika ändamål.

Vilka frågor ville du svara på?

Vi var intresserade av om det var möjligt att utveckla nya kemiska procedurer som bättre kunde efterlikna naturliga processer och skapa verklighetstrogna biomaterial med varierande och formbara strukturer som skulle kunna användas inom materialvetenskap och vävnadsteknik. Naturen använder konstant tillförsel och omvandling av energi för att modulera formen och funktionen hos dess kemiska system. I vävnader som kollagen, denna energiomvandling resulterar i fibrer med olika egenskaper, leder till variationer i deras elasticitet och robusthet. I kontrast, konstgjorda fibrer tillverkas med statiska tillverkningsförfaranden och erbjuder inte dessa dynamiska beteenden, gör det svårt att reglera deras egenskaper.

I den här studien, vi försökte para ihop supramolekylära DNA-fibrer med en ljuskänslig liten molekyl för att introducera dynamik i dessa strukturer, på ett sätt som liknar hur naturen styr funktionen av biologiska vävnader. DNA är ett attraktivt konstruktionsmaterial för att generera nya fibrösa arkitekturer på grund av dess förutsägbara sammansättning och molekylära igenkänningsegenskaper. Det är också i sig dynamiskt, vilket gör den till en idealisk kandidat för att producera biokompatibla material med avstämbara egenskaper.

Vad hittade du?

När dessa komponenter blandas vid rumstemperatur, de samlas i DNA trippel spiraler som kombineras till mikronlånga fibrer, som sedan sammankopplas och växer till stora, trassliga nätverk. Dessa arkitekturer har strukturella defekter, begränsar deras användbarhet inom materialvetenskap och vävnadstekniska tillämpningar.

För att åtgärda problemet, vi använde ett fotokemiskt system för att reglera sammansättningen av DNA-baserade strukturer och utvecklade en procedur där fibrer demonteras vid bestrålning från en smartphonekamera, sedan sekvestrera individuella DNA-strängar till en hög energi, dubbelsträngat DNA. När ljuset släcks, DNA-strängarna frigörs långsamt från deras högenergilager, och fibrerna sätts ihop igen.

Vi fann att när denna avslappning från den höga energin inträffade, den ursprungliga sammanlåsta produkten reformerades inte:I stället enskilda fibrer aggregerade parallellt med varandra, genererar tjocka "nanocables" med förbättrade mekaniska egenskaper och högre termisk stabilitet.

Genom att använda vårt fotokemiska tillvägagångssätt, monteringsvägen för polymerisationen ändras, påverkar den lokala fiberstrukturen. Fibrer som bildas med vår strategi har färre strukturella defekter än de som odlas utan cykelaktivering. Våra mer "perfekta" individuella fibrer förhindras därmed från att förgrena sig och uppmuntras istället att aggregera längs sin polymerisationsaxel, ger upphov till robusta och organiserade kablar.

Varför är resultaten viktiga?

Ett av framstegen med detta arbete är utvecklingen av nya karakteriseringsmetoder (i samarbete med professor Gonzalo Cosas laboratorium) för att förstå montering på enkelfibernivå. Medan enkelmolekylära fluorescenstekniker har använts i stor utsträckning för att studera biologiska system, denna studie markerar den första direkta observationen av de olika mekanismerna för supramolekylär polymerisation, och den första optiska analysen utvecklades för att undersöka heterogeniteten hos supramolekylära polymerer.

Vi räknar med att dessa nya metoder kommer att vara brett applicerbara för studier av både naturliga och syntetiska material och kan ge viktig insikt i hur naturen kontrollerar egenskaperna hos sina funktionella vävnader, gör det möjligt för forskare att producera mer dynamiska och avstämbara material.

När vi identifierar brister i ett material, vi kan ta isär den och ändra vägen för dess återmontering för att förfina strukturen. Detta resulterar i starkare biomaterial som kan användas som ställningar för celltillväxt, vävnadsregenerering, och nanomaterialorganisation.