Investigadores de la Universidad Carnegie Mellon han desarrollado un método para autoensamblar nanoestructuras con ácido nucleico peptídico gamma modificado (γPNA), una imitación sintética del ADN. El proceso tiene el potencial de afectar la nanofabricación, así como las tecnologías biomédicas futuras, como el diagnóstico dirigido y la administración de medicamentos.

Publicado esta semana en Comunicaciones de la naturaleza , el trabajo introduce una ciencia de la nanotecnología γPNA que permite el autoensamblaje en soluciones de solventes orgánicos, los entornos hostiles utilizados en la síntesis de péptidos y polímeros. Esto es prometedor para la nanofabricación y la nanosensibilidad.

El equipo de investigación dirigido por la profesora asistente de ingeniería mecánica Rebecca Taylor, informó que el γPNA puede formar nanofibras en soluciones de solventes orgánicos que pueden crecer hasta 11 micrones de largo (más de 1000 veces más que su ancho). Estos representan el primer complejo, nanoestructuras totalmente de PNA que se forman en disolventes orgánicos.

Taylor, quien dirige los jefes del Laboratorio de Microsistemas y Mecanobiología en Carnegie Mellon, quiere aprovechar las "superpotencias" de la ANP. Además de su mayor estabilidad térmica, El γPNA conserva la capacidad de unirse a otros ácidos nucleicos en mezclas de disolventes orgánicos que normalmente desestabilizarían la nanotecnología del ADN estructural. Esto significa que pueden formar nanoestructuras en entornos solventes que evitan la formación de nanoestructuras basadas en ADN.

Otra propiedad del γPNA es que está menos retorcido que la doble hélice del ADN. El resultado de esta diferencia es que las "reglas" para diseñar nanoestructuras basadas en PNA son diferentes a las reglas para diseñar nanotecnología de ADN estructural.

"Como ingenieros mecánicos, estábamos preparados para el desafío de resolver un problema de diseño estructural, Taylor dijo. "Debido al giro helicoidal inusual, tuvimos que idear un nuevo enfoque para tejer estas piezas ".

Debido a que los investigadores del laboratorio de Taylor buscan utilizar el cambio de forma dinámica en sus nanoestructuras, les intrigó descubrir que los cambios morfológicos, como el endurecimiento o el desmoronamiento, se producían cuando incorporaban ADN en las nanoestructuras de γPNA.

Otras características interesantes que los investigadores quieren explorar más a fondo incluyen la solubilidad en agua y la agregación. En agua, estas nanofibras actuales tienden a agruparse. En mezclas de disolventes orgánicos, El laboratorio de Taylor ha demostrado que pueden controlar si las estructuras se agregan o no, y Taylor cree que la agregación es una característica que se puede aprovechar.

"Estas nanofibras siguen las reglas de unión del ADN de Watson-Crick, pero parecen actuar cada vez más como péptidos y proteínas a medida que las estructuras de PNA crecen en tamaño y complejidad. Las estructuras de ADN se repelen entre sí, pero estos nuevos materiales no lo hacen, y potencialmente podemos aprovechar esto para crear recubrimientos de superficie sensibles, "dijo Taylor.

La molécula de γPNA sintética se ha percibido como una simple imitación de ADN que tiene propiedades deseables tales como alta bioestabilidad y fuerte afinidad por ácidos nucleicos complementarios.

"Creemos a través de este trabajo, Además, podríamos ajustar esta percepción destacando la capacidad del γPNA para actuar como ambos:como un péptido imitador debido a su estructura pseudopeptídica y como un ADN imitador debido a su complementariedad de secuencia. Este cambio de percepción podría permitirnos comprender las múltiples identidades que esta molécula puede aprovechar en el mundo del diseño de nanoestructuras de PNA. "dijo Sriram Kumar, un doctorado en ingeniería mecánica candidato y el primer autor del artículo.

Aunque el PNA ya se está utilizando en aplicaciones innovadoras de terapia génica, Aún queda mucho por aprender sobre el potencial de este material sintético. Si algún día se pueden formar nanoestructuras complejas de PNA en soluciones acuosas, El equipo de Taylor espera que las aplicaciones adicionales incluyan nanomáquinas resistentes a enzimas, incluidos biosensores, diagnósticos, y nanorobots.

"Los híbridos de péptido y PNA crearán un conjunto de herramientas completamente nuevo para los científicos, "Dijo Taylor.

Los investigadores utilizaron modificaciones gamma personalizadas para PNA que fueron desarrolladas por el laboratorio de Danith Ly en Carnegie Mellon. El trabajo futuro investigará los γPNA para zurdos en el proceso de nanofabricación. Para futuras aplicaciones biomédicas, Las estructuras para zurdos serían de particular interés porque no supondrían un riesgo de unirse al ADN celular.

Este trabajo representa una colaboración interdisciplinar. Los autores adicionales incluyeron Ph.D. en química. el candidato Alexander Pearse y el candidato de ingeniería mecánica Ying Liu. La financiación fue proporcionada por la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.