Les scientifiques des matériaux ont écrit la recette sur la façon d'utiliser une enzyme bizarre pour construire de nouveaux biomatériaux à partir de l'ADN. Le travail fournit des instructions aux chercheurs du monde entier pour construire des molécules d'auto-assemblage pour des applications allant de l'administration de médicaments aux nanofils.

La machinerie moléculaire du corps humain repose généralement sur des modèles génétiques pour effectuer la construction. Par exemple, des machines moléculaires appelées ADN polymérases lisent l'ADN base par base pour créer des copies précises.

Il y a, cependant, quelques moutons noirs dans le monde de la biologie moléculaire qui ne nécessitent pas de gabarit. Une de ces valeurs aberrantes, appelée désoxynucléotidyl transférase terminale (TdT), fonctionne dans le système immunitaire et catalyse l'addition sans matrice de nucléotides - les éléments constitutifs de l'ADN - à un ADN simple brin.

Des séquences de nucléotides apparemment aléatoires dans un seul brin d'ADN ne semblent pas avoir beaucoup d'utilité biologique, mais les scientifiques des matériaux ont trouvé quoi en faire.

Dans un nouveau journal, Les chercheurs de l'Université Duke s'appuient sur leurs travaux antérieurs et décrivent maintenant en détail comment l'enzyme TdT peut produire des poids moléculaire élevé, structures biomoléculaires synthétiques beaucoup plus facilement que les méthodes actuelles. Les chercheurs peuvent adapter la synthèse pour créer un ADN simple brin qui s'auto-assemble dans des conteneurs en forme de boule pour l'administration de médicaments ou pour incorporer des nucléotides non naturels pour donner accès à un large éventail de capacités médicalement utiles.

Les résultats paraissent en ligne le 15 mai 2017 dans la revue Angewandte Chemie Édition Internationale .

"Nous sommes les premiers à montrer comment TdT peut construire des brins simples d'ADN hautement contrôlés qui peuvent s'auto-assembler en de plus grandes structures, " a déclaré Stefan Zauscher, le professeur de la famille Sternberg de génie mécanique et de science des matériaux à l'Université Duke. "Des matériaux similaires peuvent déjà être fabriqués, mais le processus est long et compliqué, nécessitant de multiples réactions. Nous pouvons le faire en une fraction du temps dans un seul pot."

TdT a l'avantage sur typique, réactions synthétiques de construction de chaînes en ce sens qu'il continue d'ajouter des nucléotides à la fin de la chaîne en croissance tant qu'ils sont disponibles. Cela ouvre un vaste espace de conception aux scientifiques des matériaux.

Parce que les enzymes fonctionnent toutes au même rythme et ne s'arrêtent jamais, les brins d'ADN résultants sont tous très proches les uns des autres, un trait important pour contrôler leurs propriétés mécaniques. Le processus sans fin signifie également que les chercheurs peuvent nourrir de force le TdT avec n'importe quel nucléotide qu'ils veulent, même ceux qui ne sont pas naturels, simplement en ne proposant aucune autre option.

"Votre corps fabrique des brins d'ADN à partir de seulement quatre nucléotides - adénine, guanine, cytosine et uracile, " dit Chilkoti, le professeur Alan L. Kaganov et président du département de génie biomédical de Duke. "Mais nous pouvons créer des nucléotides synthétiques et forcer l'enzyme à les incorporer. Cela ouvre de nombreuses portes dans la fabrication de polymères à base d'ADN pour différentes applications."

Par exemple, les nucléotides non naturels peuvent incorporer des molécules conçues pour faciliter la « chimie du clic », permettant la fixation de toute une série de biomolécules. Les chercheurs peuvent également commencer le processus de construction avec une fondation constituée d'une séquence d'ADN spécifique, appelé aptamère, qui peut cibler des protéines et des cellules spécifiques.

"Cette enzyme existe depuis des décennies, mais c'est la première fois que quelqu'un a cartographié ces concepts dans un plan pour synthétiser une toute nouvelle famille de polynucléotides, " dit Zauscher. " Dans le passé, les biochimistes se sont largement intéressés à ce que fait le TdT dans le système immunologique humain et comment il le fait. On s'en fout de tout ça, nous sommes simplement intéressés par les blocs de construction matériels que nous pouvons fabriquer avec. Et la précision avec laquelle nous pouvons fabriquer des polymères avec cette enzyme est en fait assez exceptionnelle."