Ett team av kemister vid SU:s högskola för konst och vetenskap har använt en temperaturkänslig polymer för att reglera DNA-interaktioner i både ett DNA-medierat sammansättningssystem och ett DNA-kodat läkemedelslevereringssystem.

Deras resultat, ledd av docent Mathew M. Maye och doktorander Kristen Hamner och Colleen Alexander, kan förbättra hur nanomaterial självbildas till funktionella enheter och hur läkemedel mot cancer, inklusive doxorubicin, levereras in i kroppen. Mer information finns i en artikel från 30 juli i ACS Nano , publicerad av American Chemical Society.

Ett område av nanovetenskap som förbinder en rad områden – inklusive optik, kemisk avkänning och läkemedelstillförsel och behandling – är självmontering av nanopartiklar. Vid självmontering, kemin kopplad till nanopartikelgränssnittet driver en reaktion. Som ett resultat, partiklar går samman för att bilda ett fast ämne, en chai eller ett litet molekylliknande kluster.

Maye och andra har nyligen kommit på hur man använder DNA-kopplingar för att skapa en rad strukturer. Reaktionerna är snabba och stabila, han säger, men kan också vara problematiskt.

"Till exempel, vi vill veta hur man slår på och av en reaktion, utan tråkiga ändringar av proceduren, " säger Maye. "Vi har åtgärdat det här problemet genom att tillhandahålla en termisk trigger i form av en smart polymer, som ändrar sin struktur på nanonivå."

En smart polymer är en stor molekyl, består av många atomenheter, som ändrar struktur när de utsätts för yttre stimuli, som ljus, surhet eller temperatur.

Maye och hans kollegor har syntetiserat en designpolymer som inte bara reagerar på temperatur, men kan också sättas ihop till en guldnanopartikel. Det nya med detta tillvägagångssätt, han säger, är att nanopartikeln har korta segment av enkelsträngat DNA.

"Denna mångsidiga funktionalitet och tillagda "smarta" komponent visar vart nanovetenskapen är på väg, " säger Maye. "Vi vill att nanomaterial ska utföra många uppgifter samtidigt, och vi vill kunna aktivera och stänga av deras interaktioner på distans."

Mayes team, därför, har designat ett system där en hög temperatur (t.ex. 50 grader Celsius) får polymersträngar att krympa, därigenom exponera och göra dem operativa, och en låg temperatur får dem att förlängas, blockerar deras DNA-igenkänningsegenskaper.

Maye säger att i ett test, självmontering mellan komplementära DNA-nanopartiklar skedde vid endast en hög temperatur. I en andra studie, hans team fann att värme utlöste frisättningen av doxorubicin vid DNA-skalet av den kodade nanobäraren.

Nyligen uppfunnet av Maye och hans SU-kollegor, nanobäraren har en sexfaldig ökning av toxicitet, jämfört med de som använts i tidigare studier.

"Det nya med detta tillvägagångssätt är att interpartikelkopplingar är dynamiska och omkonfigurerbara, " säger Maye. "En sådan omkonfiguration kan leda till smarta fasta ämnen och metamaterial som reagerar på miljöstimuli, ungefär på samma sätt som smarta polymerer reagerar i bulk."

Maye och hans team har också använt ett antal avancerade tekniker för att bättre förstå mekanismerna i deras system, inklusive dynamisk ljusspridning och röntgenspridning med liten vinkel.

"Att kunna styra sammansättning av nanopartiklar med temperatur gör att vi kan finjustera deras reaktioner och bilda mer förutsägbara strukturer. Det ger oss också ett mer förbättrat system för att skala sammansättning, " han säger.

Maye fortsätter med att förklara att för DNA-kodade nanopartiklar, sådana klasser av partiklar är en utmärkt plattform för läkemedelsleverans:"När de kombineras med värmekänsliga polymerer som de i vårt system, de kan bli mycket lukrativa."