Молекулярный механизм человеческого тела обычно строится на основе генетических шаблонов. Например, молекулярные машины, называемые ДНК-полимеразами, считывают ДНК основание за основанием для создания точных копий.Однако в мире молекулярной биологии есть несколько паршивых овец, которым не нужен шаблон.
Один из таких выбросов, называемый терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазой (TdT), работает в иммунной системе и катализирует добавление нуклеотидов — строительных блоков ДНК — без матрицы к одноцепочечной ДНК.Казалось бы, случайные нуклеотидные последовательности в одной цепи ДНК не имеют большого биологического применения, но материаловеды выяснили, что с ними делать.В новой статье исследователи из Университета Дьюка опираются на свою предыдущую работу и теперь подробно описывают, как фермент TdT может создавать точные, высокомолекулярные синтетические биомолекулярные структуры намного легче, чем существующие методы.
Исследователи могут адаптировать синтез для создания одноцепочечной ДНК, которая самособирается в шарообразные контейнеры для доставки лекарств или включает неестественные нуклеотиды, чтобы обеспечить доступ к широкому спектру полезных с медицинской точки зрения возможностей.Результаты появятся в Интернете 15 мая 2017 г. в журнале Angewandte Chemie International Edition.«Мы первые, кто показал, как TdT может строить строго контролируемые одиночные нити ДНК, которые могут самособираться в более крупные структуры», — сказал Стефан Заушер, профессор машиностроения и материаловедения в Университете Дьюка в семье Штернбергов. «Подобные материалы уже могут быть изготовлены, но процесс долгий и сложный, требующий множественных реакций. Мы можем сделать это за небольшую часть времени в одной емкости».
TdT имеет преимущество перед типичными синтетическими реакциями построения цепи в том, что он продолжает добавлять нуклеотиды в конец растущей цепи, пока они доступны. Это открывает перед материаловедами обширное пространство дизайна.Поскольку все ферменты работают с одинаковой скоростью и никогда не останавливаются, полученные цепи ДНК очень близки по размеру друг к другу — важный признак для контроля их механических свойств.
Бесконечный процесс также означает, что исследователи могут принудительно кормить TdT любым нуклеотидом, который они хотят, даже неестественными, просто не предоставляя никаких других вариантов.«Ваше тело создает нити ДНК только из четырех нуклеотидов — аденина, гуанина, цитозина и урацила», — сказал Чилкоти, профессор Алана Л. Каганова и заведующий кафедрой биомедицинской инженерии в Duke. «Но мы можем создавать синтетические нуклеотиды и заставлять фермент включать их.
Это открывает множество возможностей для создания полимеров на основе ДНК для различных применений».Например, неестественные нуклеотиды могут включать молекулы, предназначенные для облегчения «химии щелчков», что позволяет прикреплять целый набор биомолекул.
Исследователи также могут начать процесс построения с основы, состоящей из определенной последовательности ДНК, называемой аптамером, которая может нацеливаться на определенные белки и клетки.«Этот фермент существует уже несколько десятилетий, но это первый раз, когда кто-то сопоставил эти концепции с планом синтеза целого нового семейства полинуклеотидов», — сказал Заушер. «В прошлом биохимики в значительной степени интересовались тем, что TdT делает в иммунологической системе человека и как он это делает. Нас все это не волнует, нас просто интересует, какие строительные блоки мы можем из него сделать. . И точность, с которой мы можем создавать полимеры с помощью этого фермента, на самом деле совершенно исключительна ».