Oligopodalne kompozyty kwasów nukleinowych i klasterów boru - nowy materiał dla bionanotechnologii

Nanotechnologia to zestaw technik i sposobów tworzenia struktur o rozmiarach nanometrycznych, czyli na poziomie pojedynczych atomów i cząsteczek. Nanometr (nm) to jedna miliardowa (10-9) część metra, wielkość taką trudno sobie wyobrazić, ale warto wiedzieć że jest to ok. 1/80 000 części średnicy ludzkiego włosa.  Dla porównania, średnica przeciętnych komórek zwierzęcych wynosi 10 000 do 20 000 nm. Oznacza to, że nanostruktury czy też konkretne nanourządzenia o rozmiarach, zgodnie z przyjmowanymi kryteriami, mniejszych niż 100 nanometrów mogą wnikać i funkcjonować wewnątrz komórek.

Prace nad nanomateriałami dla nanotechnologii, zainicjowane przez Nadriana Seemana w latach 80-tych XX wieku, prowadzone są w wielu laboratoriach na świecie bardzo intensywnie, jednak dopiero teraz pojawiają się pierwsze możliwości ich praktycznych zastosowań. Oczekuje się, że w przyszłości nanotechnologie mogą być wykorzystane do konstrukcji ultrapojemnych nośników pamięci, ultraszybkich komputerów, a być może także sztucznej inteligencji, znajdą zastosowania w medycznej diagnostyce molekularnej i chirurgii molekularnej dzięki wykorzystaniu miniaturowych bioczujników i nanorobotów, a także jako nowe terapeutyki i systemy do molekularnego transportu leków. Zastosowań nanotechnologii jest oczywiście znacznie więcej. Badania w obszarze nanotechnologii wymagają zaangażowania i współpracy naukowców z wielu różnych dziedzin takich jak fizyka, chemia, inżynieria, biologia czy medycyna.

Bloki budulcowe (elementy składowe) do konstrukcji nanostruktur metodą “bottom-up” (tworzenie bardziej skomplikowanych struktur poprzez łączenie w sposób uporządkowany mniej skomplikowanych elementów składowych) muszą spełniać szereg wymogów. Jednym z nich jest zdolność do samoorganizacji. DNA, niezależnie od pełnienia fundamentalnych funkcji w organizmach żywych posiada właściwości idealnie odpowiadające zastosowaniom w nanotechnologiach. Podstawowa właściwość to zdolność do samoorganizacji, tworzenia w sposób wysoce specyficzny struktur dwuniciowych – dupleksów, zgodnie z zasadami komplementarności zasad nukleinowych (A,T,C,G) Watsona-Cricka: A tworzy parę z T, a C z G.  Ponadto chemiczna modyfikacja naturalnych kwasów nukleinowych (DNA i RNA), np. z wykorzystaniem klasterów boru jak w niniejszym projekcie, znakomicie zwiększa możliwości zastosowań DNA jako nanomateriału poprzez wprowadzenie nowych właściwości, nieosiągalnych w produkcie naturalnym.

Proponowane przez nas koncepcje i idee znajdują się w awangardzie badań nad nowymi DNA-nanomateriałami dla nanokonstrukcji. W Projekcie proponujemy wykorzystanie klasterów boru jako szkieletu do konstrukcji nowego typu bloków budulcowych zawierających DNA. Unikalną cechą proponowanego przez nas rozwiązania jest możliwość precyzyjnego, zróżnicowanego w zależności od potrzeb, przestrzennego rozmieszczania jednoniciowych łańcuchów DNA na powierzchni klastera boru, co umożliwia budowę nanostruktur o wysokim stopniu uporządkowania na poziomie molekularnym, zbliżonym do form krystalicznych. Możliwości tych nie zapewniają stosowane często w nanotechnologii nanocząsteczki złota czy też wykorzystywane niekiedy kompleksy metali. Właściwości klasterów boru takie jak regularna, sztywna, zbliżona do kuli geometria (elipsoidalny kształt w przypadku metalokarboranów), odporność na działanie czynników chemicznych i biologicznych, nietoksyczność, hydrofobowość, hydrofilowość lub amfifilowość (zależnie od struktury) oraz podatność na chemiczne przekształcenia czyni  z klasterów boru idealną cząstkę do konstrukcji opartych na DNA bloków budulcowych. Ponadto, klastery boru mogą pełnić nie tylko funkcje molekularnego rusztowania, ale także umożliwiają wprowadzanie do nanostruktur wielu nowych właściwości fizykochemicznych (niektóre z nich zostały wymienione wyżej), co  pozwala na modulowanie i dostosowywanie do potrzeb właściwości docelowych nanostruktur.

Doświadczenie i obszar zainteresowań badawczych Partnerów Projektu umożliwia nie tylko zrealizowanie zaplanowanych badań podstawowych w zakresie syntezy, badań właściwości fizykochemicznych i biologicznych otrzymanych nanostruktur, ale także rozpoznanie wybranych zastosowań praktycznych. Ze względu na nasze wcześniejsze prace i konieczność selekcji kierunków prac badawczych skoncentrujemy się na wykorzystaniu nanostruktur DNA jako nośników leków umożliwiających dostarczenie do komórek terapeutycznych kwasów nukleinowych takich jak siRNA.