Einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) gelten aufgrund ihrer außergewöhnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften als vielversprechende Kandidaten für Anwendungen in der Biotechnologie und Nanoelektronik. Trotz ihres Potenzials verhindern Herausforderungen wie Unlöslichkeit und Toxizität ihre weitverbreitete Nutzung. Frühere Studien untersuchten verschiedene Strategien zur Funktionalisierung und Modifizierung der Oberflächen von SWCNTs, um diese Herausforderungen zu überwinden.
In einer neuen Studie haben Forscher der Pusan National University unter der Leitung von Professor Sanghwa Jeong, Assistenzprofessor an der School of Biomedical Convergence Engineering, versucht, diese Lücke zu schließen. Diese Studie ging über konventionelle Techniken hinaus, indem sie Hochdurchsatz-Screening-Methoden einsetzte, um die Beziehung zwischen DNA-Sequenzen und ihrer Bindungsaffinität an Kohlenstoffnanoröhren aufzuklären. Der Schwerpunkt lag auf der Optimierung der Bindungsaffinität und Stabilität dieser Konstrukte durch fortschrittliches Sequenzdesign und molekulardynamische Simulationen.
Diese Studie ist veröffentlicht In Höhere Wissenschaft.
Zum Hintergrund ihrer Studie erklärt Dr. Jeong: „Forscher haben verschiedene Strategien untersucht, um SWCNT-Oberflächen zu konstruieren und so die Herausforderungen begrenzter Anwendungsmöglichkeiten aufgrund von Unlöslichkeit und potenzieller Toxizität zu überwinden. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von einzelsträngiger DNA (ssDNA) als oberflächenaktives Umhüllungsmittel für SWCNTs.“
Die Forscher verwendeten eine strenge Methodik, um eine präzise Charakterisierung und Optimierung von einzelsträngigen DNA-SWCNT-Komplexen (ssDNA) sicherzustellen. Zunächst wurde eine vielfältige, zufällige 30-Nukleotide-ssDNA-Bibliothek mehreren Screening-Runden unterzogen, um Sequenzen mit hoher Affinität zu identifizieren.
Computergestützte Modellierung, insbesondere molekulardynamische Simulationen, lieferten Einblicke in die Strukturdynamik der SWCNT-Konstrukte. Darüber hinaus verwendeten die Forscher mehrere maschinelle Lernmodelle, um das Muster der Sequenzen zu verstehen, die die Bindungsaffinität beeinflussen. Sie haben erfolgreich einen frei zugänglichen Online-Dienst erstellt, der die Bindungsaffinität von Einzelstrang-DNA-Sequenzen an SWCNTs vorhersagt. Diese integrierten Ansätze bestätigten nicht nur die experimentellen Ergebnisse, sondern leiteten auch die Entwicklung leistungsstarker Einzelstrang-SWCNT-Konstrukte.
Die Ergebnisse zeigten signifikante Fortschritte in der Stabilität und Funktionalität von ssDNA-SWCNT-Komplexen. Hochaffine 30-nt-ssDNA-Sequenzen, reich an Adenin und Cytosin, zeigten eine überlegene Bindungsstärke, was durch Tensidverdrängungsexperimente bestätigt wurde.
Molekulardynamiksimulationen haben die Bildung stabiler intramolekularer Wasserstoffbrücken in der Nähe der SWCNT-Oberfläche hervorgehoben und damit deren verbesserte strukturelle Integrität unterstrichen. Die maschinellen Lernmodelle haben die Bindungsaffinitäten von Einzelstrang-DNA-Sequenzen effektiv vorhergesagt und so die Entwicklung maßgeschneiderter Einzelstrang-DNA-SWCNT-Konstrukte weiter unterstützt.
Darüber hinaus zeigte die Studie deutliche Verbesserungen in der Resistenz dieser Komplexe gegen enzymatischen Abbau im Vergleich zu freier ssDNA, was sie für langfristige biologische Anwendungen sehr geeignet macht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung hochaffiner ssDNA-SWCNT-Konstrukte einen bedeutenden Fortschritt in der Nanobiotechnologie darstellt. Die außergewöhnlichen Eigenschaften von ssDNA-SWCNTs machen sie zu idealen Kandidaten für zell- oder gewebespezifische Arzneimittelabgabesysteme sowie für die Entwicklung hochleistungsfähiger nanoelektronischer Geräte.
Dr. Jeong kommt zu dem Schluss: „Unsere Studie leistet nicht nur einen wesentlichen Beitrag zu unserem Verständnis des Zusammenspiels zwischen ssDNA und SWCNTs, sondern bietet auch praktische Möglichkeiten, diese Interaktionen in einer breiten Palette fortschrittlicher Technologien zu nutzen. In Zukunft wird die Entwicklung von Nanomaterialien und Geräten mit verbesserter Stabilität vielversprechende Innovationen in der Nanoelektronik und Biotechnologie vorantreiben.“
Mehr Informationen:
Dakyeon Lee et al., Systematische Auswahl von hochaffinen ssDNA-Sequenzen für Kohlenstoffnanoröhren, Höhere Wissenschaft (2024). DOI: 10.1002/advs.202308915