Forscher am Fachbereich Chemie der Carnegie Mellon University haben einen auf Nukleinsäuren basierenden Photokatalysator entwickelt, der die Atomtransfer-Radikalpolymerisation (ATRP) präzise steuern kann, eine beliebte Methode zur Erzeugung einer breiten Palette von Materialien mit hochspezifischen, maßgeschneiderten Funktionalitäten.
Der neuartige Ansatz nutzte etwas Altes – fluoreszierende Farbstoffe, die an Nukleinsäuren binden – und verwandelte es in etwas Neues – einen vielseitigen Photokatalysator, der eine präzise Kontrolle über die Polymerisationsreaktion ermöglicht.
„Nukleinsäurebindende Farbstoffe sind faszinierende fluoreszierende Moleküle, die ausschließlich in Gegenwart von Nukleinsäuren aufleuchten und aktiviert werden. Folglich findet die Polymerisation in unserem System nur in Gegenwart von Nukleinsäuren statt, sodass wir den Prozess durch Auswahl geeigneter Nukleinsäuren manipulieren können.“ als Cofaktoren“, sagte der Chemiedoktorand Jaepil Jeong.
Der arbeitenveröffentlicht in der Zeitschrift der American Chemical Societyist den Wissenschaftlern zufolge vielversprechend für die Weiterentwicklung des aufstrebenden Bereichs nukleinsäurebasierter Materialien und Technologien, einschließlich logikgesteuerter PhotoATRP, Nanofabrikation und Erkennung von Krankheitserregern.
ATRP, die robusteste Methode der kontrollierten Polymerisation, ermöglicht es Wissenschaftlern, kleine Moleküle, sogenannte Monomere, Stück für Stück aneinanderzureihen, was zu hochgradig maßgeschneiderten Polymeren mit spezifischen Eigenschaften führt. ATRP kann nach Belieben heruntergefahren oder neu gestartet werden, je nachdem, wie die Reaktionsbedingungen variiert werden.
Eine Möglichkeit, die Reaktion zu kontrollieren, ist der Einsatz von Photokatalysatoren, also Materialien, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion verändern können, indem sie Licht ausgesetzt werden. Während es Photopolymerisationssysteme gibt, die einfache Fluoreszenzfarbstoffe verwenden, die bei Lichteinwirkung aktiviert werden, ging das Team von Carnegie Mellon mit Nukleinsäure-bindenden Farbstoffen noch einen Schritt weiter.
Nukleinsäurebindende Farbstoffe sind fluoreszierende Sonden, die nach der Bindung an Nukleinsäuren aufleuchten. Sie werden in den Bereichen Nano- und Biotechnologie häufig für diagnostische und analytische Anwendungen eingesetzt.
„Als Nukleinsäurewissenschaftler und Chemiker verwenden wir ständig Farbstoffe, um DNA oder RNA mit fluoreszierenden Farbstoffen sichtbar zu machen. Doch statt nur die Fluoreszenz zu erkennen, nutzen wir diese Fluoreszenz jetzt für die Polymerisation“, sagte Subha R. Das, außerordentlicher Professor für Chemie und Mitglied des Center for Nucleic Acids Science and Technology der Carnegie Mellon.
„In unserem neuen System gibt es nur dann Fluoreszenz, wenn DNA oder RNA vorhanden sind, und auch nur dann findet die Katalyse statt“, fügte Das hinzu.
Da es nukleinsäurebindende Farbstoffe gibt, die an bestimmte DNA oder RNA binden, können Chemiker den Polymerisationsprozess so gestalten, dass er ausschließlich in Gegenwart spezifischer Sequenzen oder Strukturen von Nukleinsäuren abläuft.
Jeong, der von Das und Krzysztof Matyjaszewski, Professor für Naturwissenschaften an der JC Warner University, gemeinsam beraten wird, war in der Lage, das Potenzial der Farbstoffe außerhalb ihrer allgemeinen Verwendung zu erkennen.
Jeong testete sein Konzept mit beliebten Nukleinsäure-bindenden Farbstoffen in Kombination mit verschiedenen Nukleinsäuren, von einfacher Lachs-DNA und Hefe-RNA bis hin zu komplexeren Gerüsten wie G-Quadruplex-DNA und DNA-Nanoblumen. Erstens bestätigte er, dass die Polymerisation ohne die Anwesenheit von Nukleinsäure nicht stattfand. Sobald die Nukleinsäuregerüste hinzugefügt wurden, banden die Farbstoffe daran und fluoreszierten, wenn sie Licht ausgesetzt wurden.
Jeong fand heraus, dass die Farbstoffe bei der Bindung an Nukleinsäuren häufig eine deutlich erhöhte Fluoreszenzquantenausbeute und eine längere Fluoreszenzlebensdauer aufwiesen. Dies ermöglichte einen effizienten Elektronentransfer zum Kupferkatalysator, der die ATRP-Reaktion antreibt. Darüber hinaus stellten die Forscher erhöhte Monomerumsätze fest, wenn sie höhere DNA-Mengen verwendeten.
„Indem wir die einzigartigen Eigenschaften von Nukleinsäure-bindenden Farbstoffen ausnutzen, um eine Polymerisation ausschließlich in Gegenwart von Nukleinsäuregerüsten zu ermöglichen, bietet dieser neue Ansatz eine attraktive Möglichkeit, Makromoleküle mit komplexen Architekturen aufzubauen“, sagte Matyjaszewski, der ATRP im Jahr 1995 entwickelte und die Technik weiterhin weiterentwickelt und verbessert.
„Es nutzt ATRP auch zur Verstärkung von Fluoreszenzsignalen, indem es nur dann Polymere mit hohem Molekulargewicht produziert, wenn Farbstoff und Nukleinsäuren zusammen vorhanden sind.“
Durch die Auswahl geeigneter Nukleinsäuren als Cofaktoren in der Reaktion können Chemiker eine bessere Kontrolle über die spezifische Polymerisation erreichen, die sie erreichen möchten.
Neben Jeong, Matyjaszewski und Das ist Marco Fantin von der Universität Padua Autor des Artikels. Fantin, der zuvor als Postdoktorand bei Matyjaszewski gearbeitet hatte, lieferte Fachwissen zu den Details der elektrochemischen Aspekte des photokatalytischen Mechanismus.
Jeong, der im Mai seinen Abschluss machte, sagte, er habe das Privileg gehabt, von Beratern mit unterschiedlichem Fachwissen angeleitet zu werden, die es ihm ermöglichten, Kenntnisse und Fähigkeiten in zwei unterschiedlichen Bereichen zu erwerben: Polymerchemie und Nukleinsäuretechnik.
„Die Idee, Nukleinsäuren und Bindungsfarbstoffe als Photokatalysatoren zu verwenden, war das Ergebnis der engen und interdisziplinären Anleitung meiner Berater“, sagte er.
Mehr Informationen:
Jaepil Jeong et al., Nukleinsäurebindende Farbstoffe als vielseitige Photokatalysatoren für die Atomtransfer-Radikalpolymerisation, Zeitschrift der American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c03513