Des chercheurs de l'Université Carnegie Mellon ont développé une méthode d'auto-assemblage de nanostructures avec de l'acide nucléique peptidique gamma-modifié (γPNA), une imitation synthétique de l'ADN. Le processus a le potentiel d'avoir un impact sur la nanofabrication ainsi que sur les futures technologies biomédicales telles que les diagnostics ciblés et l'administration de médicaments.

Publié cette semaine dans Communication Nature , le travail présente une science de la nanotechnologie γPNA qui permet l'auto-assemblage dans des solutions de solvants organiques, les environnements difficiles utilisés dans la synthèse de peptides et de polymères. Cela est prometteur pour la nanofabrication et la nanodétection.

L'équipe de recherche, dirigé par le professeur adjoint de génie mécanique Rebecca Taylor, ont rapporté que le PNA peut former des nanofibres dans des solutions de solvants organiques pouvant atteindre une longueur de 11 microns (plus de 1000 fois plus longue que leur largeur). Ceux-ci représentent le premier complexe, nanostructures tout-PNA à former dans des solvants organiques.

Taylor, qui dirige le laboratoire de microsystèmes et de mécanobiologie de Carnegie Mellon, veut tirer parti des « superpouvoirs » de l'ANP. En plus de sa plus grande stabilité thermique, Le γPNA conserve la capacité de se lier à d'autres acides nucléiques dans des mélanges de solvants organiques qui déstabiliseraient généralement la nanotechnologie structurelle de l'ADN. Cela signifie qu'ils peuvent former des nanostructures dans des environnements de solvants qui empêchent la formation de nanostructures à base d'ADN.

Une autre propriété du PNA est qu'il est moins tordu que la double hélice de l'ADN. Le résultat de cette différence est que les « règles » de conception de nanostructures à base de PNA sont différentes des règles de conception de nanotechnologie structurelle d'ADN.

"En tant qu'ingénieurs mécaniciens, nous étions prêts à relever le défi de résoudre un problème de conception structurelle, dit Taylor. "En raison de la torsion hélicoïdale inhabituelle, nous avons dû trouver une nouvelle approche pour tisser ces pièces ensemble."

Parce que les chercheurs du laboratoire de Taylor cherchent à utiliser le changement de forme dynamique dans leurs nanostructures, ils ont été intrigués de découvrir que des changements morphologiques, comme un raidissement ou un démêlage, se produisaient lorsqu'ils incorporaient de l'ADN dans les nanostructures γPNA.

D'autres caractéristiques intéressantes que les chercheurs souhaitent explorer davantage incluent la solubilité dans l'eau et l'agrégation. Dans l'eau, ces nanofibres actuelles ont tendance à s'agglutiner. Dans les mélanges de solvants organiques, le laboratoire Taylor a démontré qu'il peut contrôler si les structures s'agrègent ou non, et Taylor pense que l'agrégation est une fonctionnalité qui peut être exploitée.

"Ces nanofibres suivent les règles de liaison Watson-Crick de l'ADN, mais ils semblent agir de plus en plus comme des peptides et des protéines à mesure que les structures PNA grandissent en taille et en complexité. Les structures de l'ADN se repoussent, mais ces nouveaux matériaux ne le font pas, et potentiellement, nous pouvons tirer parti de cela pour créer des revêtements de surface réactifs, " dit Taylor.

La molécule synthétique de PNA a été perçue comme un simple imitateur d'ADN ayant des propriétés souhaitables telles qu'une biostabilité élevée et une forte affinité pour les acides nucléiques complémentaires.

"Nous croyons à travers ce travail, nous pourrions en outre ajuster cette perception en mettant en évidence la capacité du PNA à agir à la fois comme un imitateur peptidique en raison de son squelette pseudopeptidique et comme un imitateur d'ADN en raison de sa complémentarité de séquence. Ce changement de perception pourrait nous permettre de comprendre les multiples identités que cette molécule peut exploiter dans le monde de la conception de nanostructures PNA, " dit Sriram Kumar, un doctorat en génie mécanique. candidat et le premier auteur de l'article.

Bien que le PNA soit déjà utilisé dans des applications révolutionnaires de thérapie génique, il y a encore beaucoup à apprendre sur le potentiel de ce matériau synthétique. Si des nanostructures complexes de PNA peuvent un jour être formées dans des solutions aqueuses, L'équipe de Taylor espère que d'autres applications incluront des nanomachines résistantes aux enzymes, notamment des biocapteurs, Diagnostique, et nanorobots.

"Les hybrides PNA-peptide créeront une toute nouvelle boîte à outils pour les scientifiques, ", a déclaré Taylor.

Les chercheurs ont utilisé des modifications gamma personnalisées du PNA qui ont été développées par le laboratoire de Danith Ly à Carnegie Mellon. Les travaux futurs étudieront les PNA pour gauchers dans le processus de nanofabrication. Pour les futures applications biomédicales, les structures gauchers seraient particulièrement intéressantes car elles ne présenteraient pas de risque de liaison à l'ADN cellulaire.

Ce travail représente une collaboration interdisciplinaire. D'autres auteurs comprenaient un doctorat en chimie. le candidat Alexander Pearse et le candidat en génie mécanique Ying Liu. Le financement a été fourni par la National Science Foundation et l'Air Force Office of Science Research.