卡内基梅隆大学机械工程系 该图显示了交织的γ-改性的PNA低聚物
γ-修饰(显示为白色)均匀地修饰结构，增加其结合强度并提供化学修饰
学分:卡内基梅隆大学工程学院 卡内基梅隆大学的研究人员开发了一种用γ-修饰肽核酸(γPNA)自组装纳米结构的方法，γ-修饰肽核酸是一种合成的脱氧核糖核酸模拟物
这一过程有可能影响纳米制造以及未来的生物医学技术，如靶向诊断和药物输送
这项工作发表在本周的《自然通讯》上，介绍了一门γPNA纳米技术的科学，该技术能够在有机溶剂溶液中进行自组装，这是肽和聚合物合成中使用的恶劣环境
这为纳米制造和纳米传感带来了希望
由机械工程助理教授丽贝卡·泰勒(Rebecca Taylor)领导的研究小组报告称，γPNA可以在有机溶剂溶液中形成纳米纤维，长度可达11微米(比宽度长1000多倍)
这些代表了第一个在有机溶剂中形成的复杂的全PNA纳米结构
泰勒是卡内基梅隆大学微系统和机械生物学实验室的负责人，他想利用美国国家科学院的“超能力”
“除了较高的热稳定性外，γPNA还保留了在有机溶剂混合物中与其他核酸结合的能力，这种结合通常会破坏结构性DNA纳米技术的稳定性
这意味着它们可以在溶剂环境中形成纳米结构，从而阻止基于DNA的纳米结构的形成
γPNA的另一个性质是它比DNA的双螺旋扭曲更少
这种差异的结果是设计基于PNA的纳米结构的“规则”不同于设计结构DNA纳米技术的规则
“作为机械工程师，我们为解决结构设计问题做好了准备，”泰勒说
“由于不寻常的螺旋扭曲，我们不得不提出一种新的方法来将这些碎片编织在一起
" 因为泰勒实验室的研究人员试图在他们的纳米结构中使用动态形状变化，他们很感兴趣地发现，当他们将脱氧核糖核酸掺入γ-PNA纳米结构时，会发生形态学变化，如变硬或散开。
丽贝卡·泰勒为“纳米科学的基础:自组装架构和器件(FNANO)”2020会议做了一次虚拟邀请演讲
学分:丽贝卡·泰勒，卡内基梅隆大学工程学院 研究人员想进一步探索的其他有趣特性包括在水中的溶解度和聚集性
在水中，这些电流纳米纤维倾向于聚集在一起
在有机溶剂混合物中，泰勒实验室已经证明，它们可以控制结构是否聚集，泰勒认为聚集是一个可以利用的特征
“这些纳米纤维遵循脱氧核糖核酸的沃森-克里克结合规则，但随着肽核酸结构的大小和复杂性的增加，它们的作用似乎越来越像肽和蛋白质
“脱氧核糖核酸结构相互排斥，但这些新材料不排斥，我们可以利用这一点创造出反应灵敏的表面涂层，”泰勒说
合成的γ-PNA分子被认为是一种简单的DNA模拟物，具有理想的性质，如高生物稳定性和对互补核酸的强亲和力
“我们相信，通过这项工作，我们可以通过强调γPNA同时作为肽模拟物(由于其假肽骨架)和脱氧核糖核酸模拟物(由于其序列互补性)的能力来调整这种看法
机械工程博士斯里拉姆·库马尔(Sriram Kumar)说:“这种感知上的变化可以让我们理解这种分子在PNA纳米结构设计领域可以利用的多重身份。”
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候选人和论文的第一作者
虽然三七总皂苷已经被用于突破性的基因治疗应用，但关于这种合成材料的潜力，仍有许多需要了解的地方
如果复杂的PNA纳米结构有一天可以在水溶液中形成，泰勒的团队希望其他应用将包括耐酶纳米机器，包括生物传感器、诊断和纳米机器人
泰勒说:“肽核酸杂交体将为科学家创造一个全新的工具包。”
研究人员使用了卡耐基梅隆大学丹尼思·利实验室开发的对PNA的定制伽马修正
未来的工作将研究纳米制造过程中的左手γPNAs
对于未来的生物医学应用，左手结构将是特别感兴趣的，因为它们不会带来与细胞DNA结合的风险
这项工作代表了跨学科的合作
其他作者包括化学博士
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候选人亚历山大·皮尔斯和机械工程候选人刘英
资金由国家科学基金会和空军科学研究办公室提供
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