Onderzoekers onderzoeken de wisselwerking tussen DNA met hoge affiniteit en koolstofnanobuisjes

Enkelwandige koolstofnanotubes (SWCNT’s) zijn veelbelovende kandidaten voor toepassingen in de biotechnologie en nano-elektronica vanwege hun uitzonderlijke fysieke en chemische eigenschappen. Ondanks hun potentieel hebben uitdagingen zoals onoplosbaarheid en toxiciteit hun wijdverbreide gebruik belemmerd. Eerdere studies hebben diverse strategieën onderzocht om de oppervlakken van SWCNT’s te functionaliseren en te modificeren om deze uitdagingen te overwinnen.

In een nieuwe studie hebben onderzoekers van de Pusan ​​National University onder leiding van professor Sanghwa Jeong, assistent-professor aan de School of Biomedical Convergence Engineering, geprobeerd deze leemte op te vullen. Deze studie is verder gegaan dan conventionele technieken door high-throughput screeningmethoden te gebruiken om de relatie tussen DNA-sequenties en hun bindingsaffiniteit aan koolstofnanotubes te verduidelijken. Het richtte zich op het optimaliseren van de bindingsaffiniteit en stabiliteit van deze constructies door middel van geavanceerd sequentieontwerp en moleculaire dynamische simulaties.

Deze studie is gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap.

Dr. Jeong bespreekt de achtergrond van hun studie en legt uit: “Onderzoekers hebben verschillende strategieën onderzocht om SWCNT-oppervlakken te ontwerpen om de uitdagingen van beperkte toepassingen te overwinnen vanwege onoplosbaarheid en potentiële toxiciteit. Een veelbelovende aanpak is het gebruik van enkelstrengs DNA (ssDNA) als een omhullende oppervlakteactieve stof voor SWCNT’s.”

De onderzoekers gebruikten een rigoureuze methodologie om nauwkeurige karakterisering en optimalisatie van enkelstrengs DNA (ssDNA)-SWCNT-complexen te garanderen. In eerste instantie onderging een diverse willekeurige 30-nucleotide (nt) ssDNA-bibliotheek iteratieve screeningsrondes om sequenties met hoge affiniteit te identificeren.

Computationele modellering, met name moleculaire dynamische simulaties, leverden inzicht in de structurele dynamiek van de SWCNT-constructies. Bovendien gebruikten de onderzoekers verschillende machine-learningmodellen om het patroon van sequenties te begrijpen die de bindingsaffiniteit beïnvloeden. Ze hebben met succes een gratis toegankelijke online service gecreëerd die de bindingsaffiniteit van ssDNA-sequenties aan SWCNT’s voorspelt. Deze geïntegreerde benaderingen valideerden niet alleen de experimentele bevindingen, maar leidden ook het ontwerp van hoogwaardige ssDNA-SWCNT-constructies.

De bevindingen onthulden significante vooruitgang in de stabiliteit en functionaliteit van ssDNA-SWCNT-complexen. Hoge-affiniteit 30-nt ssDNA-sequenties, rijk aan adenine en cytosine, vertoonden superieure bindingssterkte, gevalideerd door middel van surfactant-verdringingsexperimenten.

Moleculaire dynamica-simulaties benadrukten de vorming van stabiele intramoleculaire waterstofbruggen nabij het SWCNT-oppervlak, wat hun verbeterde structurele integriteit onderstreepte. De machine-learning-modellen voorspelden effectief de bindingsaffiniteiten van ssDNA-sequenties, wat het ontwerp van de op maat gemaakte ssDNA-SWCNT-constructies verder ondersteunde.

Bovendien toonde het onderzoek aan dat de resistentie van deze complexen tegen enzymatische afbraak aanzienlijk is verbeterd in vergelijking met vrij ssDNA. Hierdoor zijn ze uitermate geschikt voor biologische toepassingen op de lange termijn.

Concluderend markeert de ontwikkeling van ssDNA-SWCNT-constructies met hoge affiniteit een significante vooruitgang in nanobiotechnologie. De uitzonderlijke kenmerken van ssDNA-SWCNT’s maken ze ideale kandidaten voor cel- of weefselspecifieke medicijnafgiftesystemen en de ontwikkeling van hoogwaardige nano-elektronische apparaten.

Dr. Jeong concludeert: “Onze studie levert niet alleen een substantiële bijdrage aan ons begrip van de wisselwerking tussen ssDNA en SWCNT’s, maar biedt ook praktische mogelijkheden om deze interacties te benutten in een breed scala aan geavanceerde technologieën. In de toekomst zal de ontwikkeling van nanomaterialen en apparaten met verbeterde stabiliteit veelbelovend zijn voor het stimuleren van innovatie in nano-elektronica en biotechnologie.”