El novedoso enfoque tomó algo antiguo (colorantes fluorescentes que se unen a los ácidos nucleicos) y lo convirtió en algo nuevo:un fotocatalizador versátil que permite un control preciso sobre la reacción de polimerización.

"Los colorantes que se unen a los ácidos nucleicos son intrigantes moléculas fluorescentes que se iluminan y se activan exclusivamente en presencia de ácidos nucleicos. En consecuencia, en nuestro sistema, la polimerización ocurre sólo en presencia de ácidos nucleicos, lo que nos permite manipular el proceso seleccionando los ácidos nucleicos apropiados. como cofactores", dijo el estudiante de doctorado en química Jaepil Jeong.

El trabajo, publicado en el Journal of the American Chemical Society , es prometedor para avanzar en el campo emergente de materiales y tecnologías basados ​​en ácidos nucleicos, incluido el fotoATRP controlado por lógica, la nanofabricación y la detección de patógenos, según los científicos.

ATRP, el método más robusto de polimerización controlada, permite a los científicos unir pequeñas moléculas llamadas monómeros pieza por pieza, lo que da como resultado polímeros altamente personalizados con propiedades específicas. ATRP se puede apagar o reiniciar a voluntad, dependiendo de cómo varían las condiciones de la reacción.

Una forma de controlar la reacción es mediante el uso de fotocatalizadores, materiales que pueden cambiar la velocidad de una reacción química al exponerse a la luz. Si bien existen sistemas de fotopolimerización que utilizan tintes fluorescentes simples que se activan cuando se exponen a la luz, el equipo de Carnegie Mellon fue un paso más allá utilizando tintes que se unen a ácidos nucleicos.

Los colorantes que se unen a ácidos nucleicos son sondas fluorescentes que se iluminan después de unirse a los ácidos nucleicos. Se han utilizado ampliamente en los campos de la nanotecnología y la biotecnología para aplicaciones de diagnóstico y análisis.

"Como químicos y científicos de ácidos nucleicos, utilizamos tintes todo el tiempo para visualizar ADN o ARN con tintes fluorescentes. Pero ahora, en lugar de simplemente detectar la fluorescencia, estamos usando esa fluorescencia para realizar la polimerización", dijo Subha R. Das, profesor asociado de química y miembro del Centro de Ciencia y Tecnología de Ácidos Nucleicos de Carnegie Mellon.

"En nuestro nuevo sistema, sólo cuando hay ADN o ARN hay fluorescencia, por lo que sólo entonces se tendrá la catálisis", añadió Das.

Debido a que existen colorantes que se unen a ácidos nucleicos que se unen a ADN o ARN específicos, los químicos pueden diseñar el proceso de polimerización para que ocurra exclusivamente en presencia de secuencias o estructuras específicas de ácidos nucleicos.

Jeong, asesorado conjuntamente por Das y Krzysztof Matyjaszewski, profesor de Ciencias Naturales de la Universidad J.C. Warner, estaba en condiciones de ver el potencial de los tintes fuera de su uso común.

Jeong probó su concepto utilizando tintes populares que se unen a ácidos nucleicos combinados con diferentes ácidos nucleicos, desde el simple ADN de salmón y el ARN de levadura hasta estructuras más complejas como el ADN G-quadruplex y las nanoflores de ADN. Primero, confirmó que la polimerización no se producía sin la presencia de ácido nucleico. Una vez que se agregaron las estructuras de ácido nucleico, los tintes se unieron a ellas y se volvieron fluorescentes cuando se expusieron a la luz.

Jeong descubrió que, al unirse a los ácidos nucleicos, los colorantes a menudo mostraban un rendimiento cuántico de fluorescencia significativamente mayor y una vida fluorescente prolongada. Esto permitió una transferencia eficiente de electrones al catalizador de cobre que impulsa la reacción ATRP. Además, los investigadores notaron un aumento en las conversiones de monómeros cuando usaron mayores cantidades de ADN.

"Al aprovechar las propiedades únicas de los colorantes que se unen a los ácidos nucleicos para permitir la polimerización exclusivamente en presencia de estructuras de ácidos nucleicos, este nuevo enfoque ofrece una forma atractiva de construir macromoléculas con arquitecturas complejas", afirmó Matyjaszewski, quien desarrolló ATRP en 1995 y continúa desarrollando innovar y mejorar la técnica.

"También utiliza ATRP para amplificar señales fluorescentes produciendo polímeros de alto peso molecular sólo cuando el tinte y los ácidos nucleicos están presentes juntos".

Al seleccionar los ácidos nucleicos apropiados como cofactores en la reacción, los químicos pueden lograr un mejor control sobre la polimerización específica que intentan lograr.

Junto con Jeong, Matyjaszewski y Das, Marco Fantin de la Universidad de Padua es el autor del artículo. Fantin, que anteriormente trabajó como investigador postdoctoral con Matyjaszewski, aportó su experiencia en los detalles de los aspectos electroquímicos del mecanismo fotocatalítico.

Jeong, quien se graduó en mayo, dijo que tuvo el privilegio de ser guiado por asesores con experiencia diversa, lo que le permitió adquirir conocimientos y habilidades en dos campos distintos:química de polímeros e ingeniería de ácidos nucleicos.

"La idea de utilizar ácidos nucleicos y colorantes aglutinantes como fotocatalizadores surgió de la estrecha e interdisciplinaria orientación de mis asesores", afirmó.