Nas últimas décadas, cientistas e químicos de materiais têm trabalhado no projeto de materiais cada vez mais sofisticados para uma ampla gama de aplicações tecnológicas e científicas. Esses materiais incluem polímeros sintéticos e hidrogéis que podem ser introduzidos no corpo humano como parte de intervenções médicas.



Pesquisadores do Instituto Leibniz de Pesquisa de Polímeros de Dresden, da Technische Universität Dresden e de outros institutos na Alemanha projetaram recentemente novos materiais totalmente sintéticos com uma matriz dinâmica reticulada de DNA que poderia ser útil para a criação de organoides (órgãos artificiais) e outros sistemas biomiméticos. . Esses materiais, introduzidos na Nanotecnologia da Natureza , são versáteis, programáveis ​​e relativamente baratos, o que os torna vantajosos para pesquisas médicas e biológicas.

“A química dos polímeros pode criar materiais com propriedades maravilhosas”, disse Elisha Krieg, um dos pesquisadores que realizou o estudo, ao Phys.org. "Pense em produtos de uso diário, como brinquedos e embalagens, mas também em coletes à prova de balas, pára-quedas, implantes médicos, etc. Mas esses materiais são muito estáticos - não é fácil alterar suas propriedades, uma vez quebrados, eles não podem se curar e suas características são difíceis de prever. Nosso grupo tenta fazer materiais que sejam mais parecidos com a matéria viva:adaptativos, autocurativos e programados para cumprir funções específicas."

O campo da nanotecnologia de DNA, estabelecido pela primeira vez por Ned Seeman, concentra-se no projeto e fabricação de estruturas artificiais de DNA com possíveis aplicações biomédicas e biofísicas. Estudos anteriores de nanotecnologia de DNA mostraram que o DNA pode ser reprogramado para controlar as propriedades da matéria em escala nanométrica.

O trabalho recente de Krieg e do seu colega Yu-Hsuan Peng baseia-se em esforços de investigação anteriores neste campo. Seu objetivo era criar uma matriz de hidrogel macia que pudesse hospedar células vivas e, assim, ser usada para projetar tecidos, organoides, implantes médicos e outros sistemas biofísicos.

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"Esperávamos que, usando os princípios da nanotecnologia do DNA, pudéssemos controlar com precisão as propriedades do nosso material macio para apoiar de forma ideal as células e orientar o seu desenvolvimento", explicou Krieg. "Nosso objetivo era criar um material que fosse totalmente sintético, biocompatível e, o mais importante, que seu comportamento mecânico fosse ajustável sem alterar drasticamente sua composição química. Por último, mas não menos importante, era importante para nós que o material fosse barato, como esperávamos que fosse aplicado por muitos outros grupos no futuro."

Para criar um material versátil, sintético, biocompatível, programável e acessível, os pesquisadores fundiram dois componentes diferentes. As primeiras são cadeias poliméricas pesadas biologicamente funcionais.

“Essas cadeias poliméricas servem como estrutura estrutural para o material”, disse Krieg. "Eles têm cadeias laterais de DNA que permitem que outros módulos baseados em DNA se integrem ao material, reticulem o polímero e o complementem com funções específicas."

O segundo componente do material da equipe é composto por módulos exclusivos de DNA. Esses módulos são conectados ao material para programar suas propriedades e características, permitindo que ele atue de maneira específica,

"Uma inovação importante foi o uso de 'bibliotecas' baseadas em DNA - misturas complexas de cadeias de DNA - que tornam a ligação cruzada altamente eficiente", disse Krieg. “As sequências das bibliotecas de DNA também controlam características importantes do material, como a plasticidade e a rigidez em diferentes temperaturas”.

A matriz dinâmica reticulada de DNA criada por Krieg e seus colegas, apelidada de DyNAtrix, poderia ser usada para cultivar uma variedade de células em laboratório, incluindo células-tronco pluripotentes humanas e organoides. Notavelmente, seu material também é autocurativo e pode ser facilmente integrado à tecnologia de impressão 3D para produzir uma variedade de tecidos e estruturas 3D complexos.

“O cultivo de células no DyNAtrix pode ajudar a responder questões da biologia do desenvolvimento, pode ser usado para cultivar tecidos para medicina regenerativa ou para testar o efeito de candidatos a medicamentos específicos com células derivadas de pacientes. O sistema de cultura de células um dia substituirá totalmente os testes em animais”.

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O novo material apresentado por esta equipe de pesquisadores tem potencial para avançar em breve nas pesquisas biomecânicas, biofísicas e biomédicas. DyNAtrix é totalmente sintético, programável, fácil de reproduzir em larga escala e pode ser ajustado com alta precisão. Também poderia ser mais fácil de usar em ambientes clínicos em comparação com materiais de origem animal, como Matrigel (ou seja, uma matriz extraída de células tumorais de camundongos que é frequentemente usada para cultivar células em laboratório).

Em seus próximos estudos, Krieg, Peng e seus colegas planejam examinar mais detalhadamente as aplicações práticas de sua matriz. Por exemplo, começarão a colaborar com biólogos celulares, ajudando-os a utilizar o DyNAtrix para resolver problemas específicos de investigação.

“As propriedades mecânicas ajustáveis ​​do DyNAtrix tornam-no particularmente interessante para responder questões no campo da mecanobiologia, tais como:como as características mecânicas (rigidez, viscosidade, plasticidade) afetam o desenvolvimento das células? ? Que relevância eles têm em doenças como o câncer e como exatamente o ambiente mecânico estimula uma resposta nos tecidos vivos? Krieg acrescentou.

"O trabalho em nosso laboratório está atualmente focado em ampliar as capacidades do DyNAtrix. Por exemplo, ao conectar sensores de força fluorescentes, esperamos que as interações mecânicas entre as células e seu ambiente possam ser quantificadas no microscópio."

A matriz DyNAtrix ainda está em seus estágios iniciais de desenvolvimento, pois ainda exige que os pesquisadores adicionem manualmente módulos de DNA para induzir mudanças nas propriedades de um material. No futuro, a equipa espera avançar ainda mais na sua composição e desempenho, por exemplo, utilizando redes de reação baseadas em ADN mais sofisticadas que lhe permitiriam responder de forma autónoma ao comportamento das células.

Mais informações: Y.-H. Peng et al, Matrizes dinâmicas com viscoelasticidade codificada por DNA para cultura de células e organoides, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01483-3.
Informações do diário: Nanotecnologia da Natureza

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