Les chimistes utilisent des colorants liant les acides nucléiques comme photocatalyseurs pour une méthode de polymérisation populaire

Des chercheurs du département de chimie de l’Université Carnegie Mellon ont développé un photocatalyseur à base d’acide nucléique capable de contrôler avec précision la polymérisation radicalaire par transfert d’atomes (ATRP), une méthode populaire utilisée pour générer une large gamme de matériaux dotés de fonctionnalités hautement spécifiques et adaptées.

La nouvelle approche a pris quelque chose d’ancien – des colorants fluorescents qui se lient aux acides nucléiques – et l’a transformé en quelque chose de nouveau : un photocatalyseur polyvalent qui permet un contrôle précis de la réaction de polymérisation.

« Les colorants liant les acides nucléiques sont des molécules fluorescentes intrigantes qui s’illuminent et s’activent exclusivement en présence d’acides nucléiques. Par conséquent, dans notre système, la polymérisation se produit uniquement en présence d’acides nucléiques, ce qui nous permet de manipuler le processus en sélectionnant les acides nucléiques appropriés. comme cofacteurs », a déclaré Jaepil Jeong, doctorant en chimie.

Le travailpublié dans le Journal de l’American Chemical Societyest prometteur pour faire progresser le domaine émergent des matériaux et technologies à base d’acide nucléique, notamment le photoATRP à commande logique, la nanofabrication et la détection d’agents pathogènes, selon les scientifiques.

L’ATRP, la méthode de polymérisation contrôlée la plus robuste, permet aux scientifiques d’assembler de petites molécules appelées monomères pièce par pièce, ce qui donne lieu à des polymères hautement adaptés dotés de propriétés spécifiques. L’ATRP peut être arrêté ou redémarré à volonté, en fonction de la variation des conditions de réaction.

Une façon de contrôler la réaction consiste à utiliser des photocatalyseurs, des matériaux qui peuvent modifier la vitesse d’une réaction chimique en étant exposés à la lumière. Bien qu’il existe des systèmes de photopolymérisation qui utilisent de simples colorants fluorescents qui s’activent lorsqu’ils sont exposés à la lumière, l’équipe de Carnegie Mellon est allée encore plus loin en utilisant des colorants liant les acides nucléiques.

Les colorants liant les acides nucléiques sont des sondes fluorescentes qui s’allument après s’être liées aux acides nucléiques. Ils ont été largement utilisés dans les domaines de la nanotechnologie et de la biotechnologie pour des applications diagnostiques et analytiques.

« En tant que scientifiques et chimistes des acides nucléiques, nous utilisons tout le temps des colorants pour visualiser l’ADN ou l’ARN avec des colorants fluorescents. Mais maintenant, au lieu de simplement détecter la fluorescence, vous utilisez cette fluorescence pour effectuer la polymérisation », a déclaré Subha R. Das, professeur agrégé de chimie et membre du Centre Carnegie Mellon pour la science et la technologie des acides nucléiques.

« Dans notre nouveau système, ce n’est que lorsqu’il y a de l’ADN ou de l’ARN qu’il y a fluorescence, alors seulement vous aurez la catalyse », a ajouté Das.

Étant donné qu’il existe des colorants liant les acides nucléiques qui se lient à un ADN ou un ARN spécifique, les chimistes peuvent concevoir le processus de polymérisation pour qu’il se produise exclusivement en présence de séquences ou de structures spécifiques d’acides nucléiques.

Jeong, co-conseillé par Das et Krzysztof Matyjaszewski, professeur de sciences naturelles à l’Université JC Warner, était en mesure de voir le potentiel des colorants en dehors de leur usage courant.

Jeong a testé son concept en utilisant des colorants populaires liant les acides nucléiques associés à différents acides nucléiques, du simple ADN de saumon et de l’ARN de levure à des échafaudages plus complexes comme l’ADN G-quadruplex et les nanofleurs d’ADN. Premièrement, il a confirmé que la polymérisation ne se produisait pas sans la présence d’acide nucléique. Une fois les échafaudages d’acide nucléique ajoutés, les colorants se lient à eux et deviennent fluorescents lorsqu’ils sont exposés à la lumière.

Jeong a découvert que, lors de la liaison aux acides nucléiques, les colorants présentaient souvent un rendement quantique de fluorescence considérablement amélioré et une durée de vie fluorescente prolongée. Cela a permis un transfert efficace d’électrons vers le catalyseur en cuivre qui alimente la réaction ATRP. De plus, les chercheurs ont remarqué une augmentation des conversions de monomères lorsqu’ils utilisaient de plus grandes quantités d’ADN.

« En exploitant les propriétés uniques des colorants liant les acides nucléiques pour permettre la polymérisation exclusivement en présence d’échafaudages d’acides nucléiques, cette nouvelle approche offre une manière intéressante de construire des macromolécules aux architectures complexes », a déclaré Matyjaszewski, qui a développé l’ATRP en 1995 et continue de le faire. innover et améliorer la technique.

« Il utilise également l’ATRP pour amplifier les signaux fluorescents en produisant des polymères de haut poids moléculaire uniquement lorsque le colorant et les acides nucléiques sont présents ensemble. »

En sélectionnant les acides nucléiques appropriés comme cofacteurs dans la réaction, les chimistes peuvent mieux contrôler la polymérisation spécifique qu’ils tentent de réaliser.

Aux côtés de Jeong, Matyjaszewski et Das, Marco Fantin, de l’Université de Padoue, est l’un des auteurs du journal. Fantin, qui a auparavant travaillé comme chercheur postdoctoral avec Matyjaszewski, a apporté son expertise sur les détails des aspects électrochimiques du mécanisme photocatalytique.

Jeong, qui a obtenu son diplôme en mai, a déclaré avoir eu le privilège d’être guidé par des conseillers aux expertises diverses, ce qui lui a permis d’acquérir des connaissances et des compétences dans deux domaines distincts : la chimie des polymères et l’ingénierie des acides nucléiques.

« L’idée d’utiliser des acides nucléiques et des colorants liants comme photocatalyseurs est le résultat des conseils étroits et interdisciplinaires de mes conseillers », a-t-il déclaré.