Forskare vid Carnegie Mellon University har utvecklat en metod för att självmontera nanostrukturer med gammamodifierad peptidnukleinsyra (γPNA), en syntetisk imitation av DNA. Processen har potential att påverka nanotillverkning såväl som framtida biomedicinska teknologier som riktad diagnostik och läkemedelsleverans.

Publicerad denna vecka i Naturkommunikation , arbetet introducerar en vetenskap om γPNA nanoteknologi som möjliggör självmontering i organiska lösningsmedelslösningar, de tuffa miljöer som används vid peptid- och polymersyntes. Detta lovar nanotillverkning och nanosensing.

Forskargruppen, ledd av biträdande professor i maskinteknik Rebecca Taylor, rapporterade att γPNA kan bilda nanofibrer i organiska lösningsmedelslösningar som kan växa upp till 11 mikron i längd (mer än 1000 gånger längre än deras bredd). Dessa representerar det första komplexet, helt PNA-nanostrukturer som ska bildas i organiska lösningsmedel.

Taylor, som leder cheferna för Microsystems and MechanoBiology Lab på Carnegie Mellon, vill utnyttja PNA:s "superkrafter". Förutom dess högre termiska stabilitet, γPNA behåller förmågan att binda till andra nukleinsyror i organiska lösningsmedelsblandningar som vanligtvis skulle destabilisera strukturell DNA-nanoteknik. Det betyder att de kan bilda nanostrukturer i lösningsmedelsmiljöer som förhindrar bildning av DNA-baserade nanostrukturer.

En annan egenskap hos γPNA är att den är mindre vriden än den dubbla helixen av DNA. Resultatet av denna skillnad är att "reglerna" för att designa PNA-baserade nanostrukturer är annorlunda än reglerna för att designa strukturell DNA-nanoteknik.

"Som maskiningenjörer, vi var förberedda på utmaningen att lösa ett strukturellt designproblem, sa Taylor. "På grund av den ovanliga spiralformade vridningen, vi var tvungna att komma på en ny metod för att väva ihop dessa bitar."

Eftersom forskarna i Taylors labb försöker använda dynamisk formförändring i sina nanostrukturer, de var intresserade av att upptäcka att morfologiska förändringar – som att stelna eller riva upp – inträffade när de införlivade DNA i γPNA-nanostrukturerna.

Andra intressanta egenskaper som forskarna vill utforska ytterligare är löslighet i vatten och aggregation. I vatten, dessa nuvarande nanofibrer tenderar att klumpa ihop sig. I blandningar av organiska lösningsmedel, Taylor-labbet har visat att de kan kontrollera om strukturer aggregeras eller inte, och Taylor anser att aggregeringen är en funktion som kan utnyttjas.

"Dessa nanofibrer följer Watson-Cricks bindningsregler för DNA, men de verkar agera mer och mer som peptider och proteiner när PNA-strukturer växer i storlek och komplexitet. DNA-strukturer stöter bort varandra, men dessa nya material gör det inte, och potentiellt kan vi utnyttja detta för att skapa responsiva ytbeläggningar, " sa Taylor.

Den syntetiska γPNA-molekylen har uppfattats som en enkel DNA-härmare med önskvärda egenskaper såsom hög biostabilitet och stark affinitet för komplementära nukleinsyror.

"Vi tror genom detta arbete, vi skulle dessutom kunna justera denna uppfattning genom att framhäva förmågan hos γPNA att fungera som både och – som en peptidhärma på grund av dess pseudopeptidryggrad och som en DNA-härma på grund av dess sekvenskomplementaritet. Denna förändring i uppfattning kan tillåta oss att förstå de många identiteter som denna molekyl kan utnyttja i världen av PNA-nanostrukturdesign, " sa Sriram Kumar, en maskiningenjör Ph.D. kandidat och första författare på tidningen.

Även om PNA redan används i banbrytande genterapiapplikationer, det finns fortfarande mycket att lära om det här syntetiska materialets potential. Om komplexa PNA-nanostrukturer en dag kan bildas i vattenlösningar, Taylors team hoppas att ytterligare applikationer kommer att inkludera enzymresistenta nanomaskiner inklusive biosensorer, diagnostik, och nanorobotar.

"PNA-peptidhybrider kommer att skapa en helt ny verktygslåda för forskare, " sa Taylor.

Forskarna använde anpassade gammamodifieringar av PNA som utvecklades av Danith Lys labb vid Carnegie Mellon. Framtida arbete kommer att undersöka vänsterhänta γPNAs i nanotillverkningsprocessen. För framtida biomedicinska tillämpningar, vänsterhänta strukturer skulle vara av särskilt intresse eftersom de inte skulle utgöra någon risk för bindning till cellulärt DNA.

Detta arbete representerar ett tvärvetenskapligt samarbete. Ytterligare författare inkluderade kemi Ph.D. kandidat Alexander Pearse och maskinteknikkandidat Ying Liu. Finansiering tillhandahölls av National Science Foundation och Air Force Office of Science Research.