Os químicos usam corantes de ligação de ácidos nucleicos como fotocatalisadores para um método popular de polimerização
FotoATRP mediado por corantes de ligação a ácidos nucleicos. Crédito:Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.4c03513 Pesquisadores do Departamento de Química da Universidade Carnegie Mellon desenvolveram um fotocatalisador à base de ácido nucleico que pode controlar com precisão a polimerização radical de transferência de átomos (ATRP), um método popular usado para gerar uma ampla gama de materiais com funcionalidades altamente específicas e personalizadas.
A nova abordagem pegou algo antigo – corantes fluorescentes que se ligam a ácidos nucleicos – e transformou-o em algo novo – um fotocatalisador versátil que permite um controle preciso sobre a reação de polimerização.
"Os corantes de ligação a ácidos nucleicos são moléculas fluorescentes intrigantes que se iluminam e são ativadas exclusivamente na presença de ácidos nucleicos. Consequentemente, em nosso sistema, a polimerização ocorre apenas na presença de ácidos nucleicos, permitindo-nos manipular o processo selecionando ácidos nucleicos apropriados como cofatores", disse o estudante de doutorado em química Jaepil Jeong.
O trabalho, publicado no Journal of the American Chemical Society , é uma promessa para o avanço do campo emergente de materiais e tecnologias à base de ácidos nucleicos, incluindo fotoATRP controlado por lógica, nanofabricação e detecção de patógenos, de acordo com os cientistas.
ATRP, o método mais robusto de polimerização controlada, permite aos cientistas unir pequenas moléculas chamadas monômeros, peça por peça, resultando em polímeros altamente personalizados com propriedades específicas. O ATRP pode ser desligado ou reiniciado à vontade, dependendo de como as condições da reação variam.
Uma forma de controlar a reação é usar fotocatalisadores, materiais que podem alterar a velocidade de uma reação química ao serem expostos à luz. Embora existam sistemas de fotopolimerização que usam corantes fluorescentes simples que são ativados quando expostos à luz, a equipe da Carnegie Mellon deu um passo adiante usando corantes de ligação a ácidos nucléicos.
Os corantes de ligação a ácidos nucleicos são sondas fluorescentes que acendem após a ligação aos ácidos nucleicos. Eles têm sido amplamente utilizados nas áreas de nano e biotecnologia para aplicações diagnósticas e analíticas.
"Como cientistas e químicos de ácidos nucleicos, usamos corantes o tempo todo para visualizar DNA ou RNA com corantes fluorescentes. Mas agora, em vez de apenas detectar a fluorescência, você está usando essa fluorescência para fazer a polimerização", disse Subha R. Das, professor associado de química e membro do Centro de Ciência e Tecnologia de Ácidos Nucleicos da Carnegie Mellon.
“Em nosso novo sistema, somente quando há DNA ou RNA há fluorescência, então só então você terá a catálise”, acrescentou Das.
Como existem corantes de ligação a ácidos nucleicos que se ligam a DNA ou RNA específico, os químicos podem projetar o processo de polimerização para ocorrer exclusivamente na presença de sequências ou estruturas específicas de ácidos nucleicos.
Jeong, que é co-orientado por Das e Krzysztof Matyjaszewski, professor de Ciências Naturais da Universidade J.C. Warner, estava em posição de ver o potencial dos corantes fora de seu uso comum.
Jeong testou seu conceito usando corantes populares de ligação de ácido nucleico emparelhados com diferentes ácidos nucleicos, desde DNA simples de salmão e RNA de levedura até estruturas mais complexas, como DNA G-quadruplex e nanoflores de DNA. Primeiro, ele confirmou que a polimerização não ocorria sem a presença de ácido nucleico. Depois que as estruturas de ácido nucleico foram adicionadas, os corantes ligaram-se a elas e fluoresceram quando expostos à luz.
Jeong descobriu que, após a ligação aos ácidos nucleicos, os corantes frequentemente exibiam um rendimento quântico de fluorescência significativamente aumentado e uma vida útil fluorescente prolongada. Isso permitiu a transferência eficiente de elétrons para o catalisador de cobre que alimenta a reação ATRP. Além disso, os pesquisadores notaram um aumento nas conversões de monômeros quando usaram quantidades maiores de DNA.
"Ao aproveitar as propriedades únicas dos corantes de ligação ao ácido nucleico para permitir a polimerização exclusivamente na presença de estruturas de ácido nucleico, esta nova abordagem oferece uma maneira atraente de construir macromoléculas com arquiteturas complexas", disse Matyjaszewski, que desenvolveu o ATRP em 1995 e continua a inovar e aprimorar a técnica.
"Ele também usa ATRP para amplificar sinais fluorescentes, produzindo polímeros de alto peso molecular apenas quando corantes e ácidos nucléicos estão presentes juntos."
Ao selecionar ácidos nucleicos apropriados como cofatores na reação, os químicos podem conseguir um melhor controle sobre a polimerização específica que estão tentando alcançar.
Junto com Jeong, Matyjaszewski e Das, Marco Fantin, da Universidade de Pádua, é o autor do artigo. Fantin, que já trabalhou como pesquisador de pós-doutorado com Matyjaszewski, forneceu conhecimentos sobre os detalhes dos aspectos eletroquímicos do mecanismo fotocatalítico.
Jeong, que se formou em maio, disse ter tido o privilégio de ser orientado por conselheiros com competências diversas, o que lhe permitiu adquirir conhecimentos e competências em duas áreas distintas:química de polímeros e engenharia de ácidos nucleicos.
“A ideia de usar ácidos nucléicos e corantes de ligação como fotocatalisadores foi resultado da orientação próxima e interdisciplinar de meus orientadores”, disse ele.
