Forskare vid Carnegie Mellon Universitys avdelning för kemi har utvecklat en nukleinsyrabaserad fotokatalysator som exakt kan kontrollera atomöverföringsradikalpolymerisation (ATRP), en populär metod som används för att generera ett brett utbud av material med mycket specifika, skräddarsydda funktionaliteter.
Det nya tillvägagångssättet tog något gammalt – fluorescerande färgämnen som binder till nukleinsyror – och förvandlade det till något nytt – en mångsidig fotokatalysator som möjliggör exakt kontroll över polymerisationsreaktionen.
"Nukleinsyrabindande färgämnen är spännande fluorescerande molekyler som lyser upp och aktiveras uteslutande i närvaro av nukleinsyror. Följaktligen sker polymerisering i vårt system endast i närvaro av nukleinsyror, vilket gör att vi kan manipulera processen genom att välja lämpliga nukleinsyror som kofaktorer", sa kemidoktoranden Jaepil Jeong.
Verket, publicerat i Journal of the American Chemical Society , har ett löfte om att utveckla det framväxande området av nukleinsyrabaserade material och teknologier inklusive logikkontrollerad photoATRP, nanotillverkning och patogendetektion, enligt forskarna.
ATRP, den mest robusta metoden för kontrollerad polymerisation, gör det möjligt för forskare att stränga ihop små molekyler som kallas monomerer i en bit för bit, vilket resulterar i mycket skräddarsydda polymerer med specifika egenskaper. ATRP kan stängas av eller startas om efter behag, beroende på hur reaktionsförhållandena varierar.
Ett sätt att kontrollera reaktionen är att använda fotokatalysatorer, material som kan ändra hastigheten på en kemisk reaktion genom att utsättas för ljus. Även om det finns fotopolymerisationssystem som använder enkla fluorescerande färgämnen som aktiveras när de utsätts för ljus, tog Carnegie Mellon-teamet det ett steg längre med nukleinsyrabindande färgämnen.
Nukleinsyrabindande färgämnen är fluorescerande prober som lyser upp efter bindning till nukleinsyror. De har använts i stor utsträckning inom nano- och bioteknik för diagnostiska och analytiska tillämpningar.
"Som nukleinsyraforskare och kemister använder vi färgämnen hela tiden för att visualisera DNA eller RNA med fluorescerande färgämnen. Men nu, istället för att bara upptäcka fluorescensen, använder du den fluorescensen för att göra polymerisation", säger Subha R. Das, docent i kemi och medlem av Carnegie Mellons Center for Nucleic Acids Science and Technology.
"I vårt nya system, bara när det finns DNA eller RNA finns det fluorescens, så först då kommer du att ha katalysen," tillade Das.
Eftersom det finns nukleinsyrabindande färgämnen som binder till specifikt DNA eller RNA, kan kemister utforma polymerisationsprocessen så att den uteslutande sker i närvaro av specifika sekvenser eller strukturer av nukleinsyror.
Jeong, som samråds av Das och Krzysztof Matyjaszewski, professorn i naturvetenskap vid J.C. Warner University, var i en position att se färgämnenas potential utanför deras vanliga användning.
Jeong testade sitt koncept med populära nukleinsyrabindande färgämnen parade med olika nukleinsyror, från enkelt lax-DNA och jäst-RNA till mer komplexa ställningar som G-quadruplex-DNA och DNA-nanoblommor. Först bekräftade han att polymerisation inte skedde utan nukleinsyra närvarande. När nukleinsyraställningarna väl tillsattes, bands färgämnena till dem och fluorescerade när de exponerades för ljus.
Jeong fann att vid bindning till nukleinsyror uppvisade färgämnena ofta ett signifikant förbättrat fluorescenskvantutbyte och en förlängd fluorescerande livslängd. Detta möjliggjorde effektiv elektronöverföring till kopparkatalysatorn som driver ATRP-reaktionen. Dessutom märkte forskarna ökade monomeromvandlingar när de använde större mängder DNA.
"Genom att utnyttja de unika egenskaperna hos nukleinsyrabindande färgämnen för att möjliggöra polymerisering uteslutande i närvaro av nukleinsyraställningar, erbjuder detta nya tillvägagångssätt ett attraktivt sätt att bygga makromolekyler med komplexa arkitekturer", säger Matyjaszewski, som utvecklade ATRP 1995 och fortsätter att förnya och förbättra tekniken.
"Den använder också ATRP för att förstärka fluorescerande signaler genom att producera polymerer med hög molekylvikt endast när färgämne och nukleinsyror är närvarande tillsammans."
Genom att välja lämpliga nukleinsyror som kofaktorer i reaktionen kan kemister uppnå bättre kontroll över den specifika polymerisation de försöker uppnå.
Tillsammans med Jeong, Matyjaszewski och Das är Marco Fantin från Padovas universitet en författare på tidningen. Fantin, som tidigare arbetat som postdoktor hos Matyjaszewski, tillhandahöll expertis om detaljerna i de elektrokemiska aspekterna av den fotokatalytiska mekanismen.
Jeong, som tog examen i maj, sa att han hade förmånen att bli vägledd av rådgivare med olika expertis, vilket gjorde det möjligt för honom att skaffa sig kunskap och färdigheter inom två distinkta områden:polymerkemi och nukleinsyrateknik.
"Idén att använda nukleinsyror och bindande färgämnen som fotokatalysatorer var ett resultat av den nära och tvärvetenskapliga vägledningen från mina rådgivare," sa han.
Mer information: Jaepil Jeong et al, Nucleic Acid-Binding Dyes as Multiple Photocatalysts for Atom-Transfer Radical Polymerization, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.4c03513
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av Carnegie Mellon University
