Pesquisadores da Carnegie Mellon University desenvolveram uma molécula sintética que pode reconhecer e se ligar a DNA ou RNA de fita dupla em condições fisiológicas normais. A molécula pode fornecer uma nova plataforma para o desenvolvimento de métodos de diagnóstico e tratamento de doenças genéticas. Suas descobertas são publicadas em Química da Comunicação .

O trabalho foi realizado por uma equipe internacional de especialistas, incluindo Carnegie Mellon Professor de Química Danith Ly, um especialista em design de ácido nucleico de peptídeo, Shivaji Thadke, pós-doutor em química, e Dinithi Perera, estudante de graduação em química, Professor de química e especialista em ressonância magnética nuclear Roberto Gil, e Arnab Mukherjee, um cientista da computação no Instituto Indiano de Educação e Pesquisa em Ciências em Pune.

"Uma vez que a estrutura em dupla hélice do DNA foi elucidada pela primeira vez por Watson e Crick, os cientistas têm tentado projetar moléculas que possam se ligar ao DNA e permitir o controle do fluxo de informações genéticas, "disse Ly." Esta é a primeira molécula bifacial que pode invadir DNA ou RNA de fita dupla sob condições biologicamente relevantes. "

DNA, que contém todas as informações genéticas de um organismo, é composto por duas fitas de nucleotídeos. Os nucleotídeos se conectam uns com os outros usando ligações de hidrogênio, formando uma cadeia helicoidal de pares de bases Watson-Crick. Embora esses pares de bases forneçam um código relativamente simples para nossa informação genética, entrar na dupla hélice para alterar o código é difícil devido às fortes ligações entre os pares de bases.

Ly e seus colegas do Instituto de Descoberta e Projeto Biomolecular da Carnegie Mellon University (IBD) e do Centro de Ciência e Tecnologia de Ácidos Nucleicos (CNAST) são líderes no projeto e desenvolvimento de ácidos nucléicos de peptídeo gama (PNAs gama). Análogos sintéticos de DNA e RNA, Os gama PNAs podem ser programados para se ligarem ao material genético (DNA ou RNA) que causa a doença, permitindo que eles procurem sequências prejudiciais e se liguem a elas para evitar o mau funcionamento de um gene.

O grupo criou gama PNAs de dupla face denominados Janus gama PNAs. Nomeado após o deus romano de duas faces, Janus PNAs são capazes de reconhecer e se ligar a ambas as fitas de uma molécula de DNA ou RNA.

O conceito de reconhecimento bifacial, que é a base dos PNAs Janus gama, foi concebido pela primeira vez há mais de duas décadas por Jean-Marie Lehn, um Prêmio Nobel conhecido por seu trabalho no campo da química supramolecular, e exposta por outros pesquisadores da área.

O avanço desta pesquisa foi impedido por dois obstáculos. Primeiro, pesquisadores foram capazes de fazer apenas um pequeno número de bases de Janus, e essas bases variavam consideravelmente em forma e tamanho. Essas limitações significavam que as diferentes bases de Janus só podiam reconhecer repetições do mesmo conjunto de pares de bases e não podiam ser usadas juntas como blocos de construção para reconhecer sequências mais complexas de DNA ou RNA.

Em segundo lugar, era difícil sintetizar bases de Janus para pares de bases canônicas. A natureza complementar dos dois lados das bases de Janus fez as moléculas hibridizarem e se ligarem umas às outras, impedindo-os de incorporar em DNA e RNA.

No estudo atual, Ly e seus colegas superam esses obstáculos. Eles criaram um conjunto inteiramente novo de elementos de reconhecimento de ácido nucleico bifacial, 16 no total, que explicava todas as combinações possíveis de nucleobases que poderiam ser encontradas no código genético. Os Janus gama PNAs podem ser usados ​​para reconhecer qualquer combinação de pares de bases e misturados e combinados para detectar e se ligar a sequências genéticas complexas.

Thadke resolveu o problema da síntese química criando uma nova solução e um método sintético em fase sólida para desenvolver os PNAs Janus gama. Ele também implantou um truque inerente à pré-organização helicoidal na espinha dorsal da gama PNA para impedir que bases de Janus auto-complementares se hibridizem umas com as outras.

Esses novos PNAs Janus gama têm uma energia de ligação extraordinariamente alta e são os primeiros a serem capazes de invadir um DNA pareado de base canônica ou dupla hélice de RNA com uma força iônica e temperatura fisiologicamente relevantes.

Eles fazem isso aproveitando a vantagem de quando as moléculas de DNA e RNA de fita dupla "respiram" e as ligações entre os pares de bases se abrem por frações de segundo. Quando isso acontece, o Janus PNA se insere entre as fitas separadas. Se os pares de bases não combinam, o Janus PNA é ejetado da molécula de DNA. Mas se eles combinam, o Janus PNA liga-se a ambas as fitas da molécula.

Os PNAs Janus gama têm uma ampla gama de utilizações biológicas e biomédicas. Eles podem ser projetados para direcionar o DNA genômico para edição de genes e regulação da transcrição. Eles também podem ser projetados para se ligar de forma específica e seletiva às estruturas secundária e terciária do RNA, algo que os agentes antisense tradicionais e ligantes de pequenas moléculas não são capazes de fazer. Por exemplo, os PNAs Janus gama poderiam ser programados para se ligar a expansões repetidas de RNA, o que pode levar a novos tratamentos para uma série de doenças neuromusculares e neurodegenerativas, incluindo distrofia miotônica tipo 1 e doença de Huntington, ou para RNAs não codificantes, incluindo RNA ribossomal e telomerase do patógeno, para combater doenças genéticas e infecciosas.

A tecnologia está sendo explorada tanto por startups quanto por empresas farmacêuticas para desenvolvimentos terapêuticos.