DNA kan göra mer än att överföra genetisk kod från en generation till nästa. I nästan 20 år har forskare känt till molekylens förmåga att stabilisera nanometerstora kluster av silveratomer. Vissa av dessa strukturer lyser synligt i rött och grönt, vilket gör dem användbara i en mängd olika kemiska och biosenserande tillämpningar.

Stacy Copp, biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap vid UCI, ville se om kapaciteten hos dessa små fluorescerande markörer kunde sträckas ännu längre – in i det nära-infraröda området av det elektromagnetiska spektrumet – för att ge biovetenskapliga forskare kraften att se genom livet celler och till och med centimeter av biologisk vävnad, vilket öppnar dörrar till förbättrade metoder för att upptäcka och behandla sjukdomar.

"Det finns outnyttjad potential att förlänga fluorescens med DNA-stabiliserade silvernanokluster till den nära-infraröda regionen", säger hon. "Anledningen till att det är så intressant är att våra biologiska vävnader och vätskor är mycket mer transparenta för nära-infrarött ljus än för synligt ljus."

Copp säger att forskare och ingenjörer har letat efter nya sätt att skanna kroppsvävnader för att undvika muterande biverkningar av röntgenstrålar eller låta patienter få i sig radionuklider för att upptäcka tumörer. "Det finns många anledningar till varför det skulle vara spännande att använda icke-invasivt, ofarligt nära-infrarött ljus, som i grunden är värme", säger hon. "Men en av de största utmaningarna är att vi egentligen inte har bra, giftfria fluoroforer - molekyler eller nanopartiklar som avger detta nära-infraröda ljus."

Människor har varit medvetna om silvers antimikrobiella krafter sedan urminnes tider. Elementet dödar bakterier men är godartat för de flesta däggdjursceller; det används till och med för att bekämpa lukter i vissa tyger som människor bär. Copp säger att nya studier har visat att DNA-stabiliserade silvernanokluster har låg cytotoxicitet, och DNA är naturligt biokompatibelt – vilket gör dessa föreningar potentiellt säkra att använda i en klinisk miljö.

Som med många saker DNA-relaterat, finns det en nästan obegriplig mängd sekvenspermutationer, av vilka endast en liten delmängd har de fluorescerande egenskaper forskare söker. Medan han var på UC Santa Barbara var Copp en del av ett team som designade ett instrument som snabbt kan skanna hundratals silvernanokluster åt gången för att se om de har nära-infraröd emission. Med detta verktyg har forskarna kunnat hitta ett stort antal tidigare dolda kandidatsekvenser.

I sitt labb i UCI:s Susan och Henry Samueli Interdisciplinary Science and Engineering Building, initierade Copp ett projekt med Peter Mastracco, hennes första doktorsexamen. student, för att dra nytta av nya data som kopplar DNA-sekvenser till färgerna på nanoklustren, vilket Copp säger att hon liknar med ett "nanoklustergenom". Hon bad Mastracco att utveckla en maskininlärningsmetod som kan hjälpa dem att analysera berg av experimentella data för att komma fram till nya DNA-sekvenser – sådana som kan skapas i labbet – som öppnar åtkomst till den nära-infraröda regionen.

Tidigt i projektet hittade Mastracco ett forskningsdokument som visar röntgenkristallstrukturen hos ett DNA-stabiliserat silvernanokluster. "Det gav oss bokstavligen en bild av var alla silveratomer finns och hur DNA:t viks runt nanoklustret," säger Copp. "Och han upptäckte något som jag inte hade lagt märke till tidigare, nämligen att DNA:t vek sig runt nanoklustret på ett speciellt sätt."

Forskarna antog att om de kodade in information om denna vikbara egenhet i sina maskininlärningsmodeller, skulle de kanske kunna förutsäga nanoklustrens fluorescensfärg.

En del av Mastraccos Ph.D. utbildning i Copps grupp skulle bli mentor. Sommaren 2020 – en tidig topp i covid-19-pandemin – matchades han med Josh Evans, en student vid Chaffey College, en community college med campus i Kaliforniens Inland Empire.

Enligt Copp utarbetade Evans ett kreativt sätt att tolka resultaten av Mastraccos modeller tydligare. "Vissa av dessa algoritmer kan fungera som en svart låda", säger Copp. "Du tillhandahåller en datauppsättning till maskininlärningsalgoritmen, och den lär sig trenderna i den datan, och det hjälper dig att göra förutsägelser. Men det kan verkligen vara svårt att öppna locket för att ta reda på vad som händer i lådan."

Evans hjälpte till att lösa detta problem genom att använda ett "funktionsvalsverktyg" som gjorde det möjligt för teamet att avgöra vilken del av DNA-sekvensen som var korrelerad till de olika fluorescensfärgerna i nanoklustren.

Copp säger att genombrottet blev ett viktigt bidrag till en forskningsartikel – med Mastracco som huvudförfattare – som publicerades i tidskriften ACS Nano .

Arbetet i forskargruppen Copp om fluorescerande nanokluster fortsätter i snabb takt. De publicerade nyligen en andra artikel om ämnet i Journal of the American Chemical Society , denna ledd av Ph.D. student Anna Gonzalez Rosell, som var mentor för UCI-medförfattaren Nery Arevalos.

"Artikeln representerar ett viktigt framsteg i utvecklingen av verkligt biokompatibla nanokluster för nära-infraröd avbildning," säger Copp. "Flera av mina elever arbetade med de här uppsatserna, och mentorskap på grundnivå spelade en viktig roll i projekten. Det är ett arrangemang som fungerar otroligt bra när det gäller att leverera forskningsresultat och hjälpa unga forskare att nå sina mål."

Mer information: Peter Mastracco et al, Kemi-informerad maskininlärning möjliggör upptäckt av DNA-stabiliserade silvernanokluster med nära-infraröd fluorescens, ACS Nano (2022). DOI:10.1021/acsnano.2c05390

Anna Gonzàlez-Rosell et al, Chloride Ligands on DNA-Stabilized Silver Nanoclusters, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c01366

Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society , ACS Nano

Tillhandahålls av University of California, Irvine