Short single-stranded nucleic acids can form a structural motif called TWJ (three-way junction) DNA [1]. TWJs have considerable potential for a variety of biotechnology applications. Using the properties of another non-canonical structure - the i-motif - it‘s also possible to prepare TWJ-based nanoparticles sensitive to pH changes [2]. This sensitivity is achieved by the presence of C-rich overhangs in the individual sequences forming the TWJ structure. DNA i-motif is four-stranded non-canonical structure consisting of cytosine-rich sequences. Acidic conditions facilitate the formation of this motif due to the presence of cytosine-cytosine+ base pairs. pH-sensitivity of i-motif is widely used as pH switchers in nanotechnology and in other applications [3].
It´s well known, that synthetic metallosupramolecular helicate ligands with trigonal geometry could bind into the central cavity of TWJ DNA [4]. Therefore, ligands L1-L3 based on imine scaffold, N-coordinated to metal ion were prepared. These complexes stabilize TWJ structure. The second focus of our interest is to prepare and analyze fluorescent ligands targeted i-motifs formed on terminal overhangs of TWJ. These i-motif ligands could de/stabilize i-motif clamp between two subunits of TWJ. Such a macromolecular system represents a hydrogel that can be used even in very mildly acidic conditions close to neutral pH as pH-dependent fluorescent and/or colored sensors. Combinations of ligands targeting different regions of a single molecule could have significant applying potential in nanotechnologies.
This work was supported by the Grant Agency of the Ministry of Education, Science, Research and Sport of Slovak Republic (No. 1/0138/20) and Internal Scientific Grant System of P. J. Šafárik University (VVGS-PF-2022-2122).
[1] Wu, B.; Girard, F.; Van Buuren, B.; Schleucher, J.; Tessari, M.; Wijmenga, S.: Nucleic Acids Res., 2004, 32(10) 3228.
[2] Li, J.; Mo, L.; Lu, Ch.; Fu, T.; Yang, H.; Tan, W.: Chem Soc Rev., 2016, 45(5), 1410.
[3] Day, H. A.; Pavlou, P.; Waller, Z. A. E.: Bioorg. Med. Chem., 2014, 22, 4407.
[4] Oleksi, A.; Blanco, A.G.; Boer, R.; Usón, I.; Aymamí, J.; Rodger, A.; Hannon, M.J., Coll, M.: Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 1227.
Dobrý deň Lukáš, veľmi pekná
Dobrý deň Lukáš, veľmi pekná práca. Chcela by som sa opýtať pár otázok. Za samotné nanočastice citlivé na pH rozumieme teda konjugáty motívov TWJ a i-motívu s prečnievajúcimi C-bohatými sekvenciami alebo je nevyhnutná aj stabilizácia ligandom? Aké využitie by takéto častice mohli mať v praxi? Píšete, že tieto nanočastice sú citlivé na pH, ako sa prejaví zmena pH na štruktúre takýchto nanočastíc a ako to môže byť využité? Ďakujem :-)
Dobrý deň, ďakujem za
Dobrý deň, ďakujem za hodnotenie a otázky :-). Za nanočasticu ako takú možno považovať už samotné hybridizované sekvencie tvoriace celkovú štruktúru TWJ-DNA (v našom prípade aj TWJ-iM aj TWJ-N). V tomto prípade sú C-bohaté previsy výhodou, keďže zmenou pH sa z nich vytvára štruktúra i-motívu a vzájomným spojením C-koncom jednotlivých nanočastíc tak vzniká v podstate "nanopolymér". K samotnému vytvoreniu takéhoto polyméru nie je ligand potrebný, postačujúce je kyslé prostredie, avšak vhodne nadizajnovaná molekula môže vylepšiť jeho vlastnosti - napríklad v zmysle celkovej stability už aj pri mierne kyslom pH v rozmedzí 6.0-7.0. Samo o sebe je pre vytvorenie TWJ/iM, z našich skúsenosti, potrebné aspoň pH <6. V rozdmedzí 6-7 sa tieto konjugáty takmer nevytvárajú, resp. v podstatne menšom zastúpení. Čo sa týka využitia, tak môžeme diskutovať o pH-závislých nanomateriáloch na báze DNA, ktoré sa dajú aplikovať v biotechnológiách, poprípade akokoľvek zaujímavo aj modifikovať. Skutočnosť, že sa nám pomocou vhodne cielených ligandov podarí rozšíriť škálu pH, v ktorej daná štruktúra už dokáže byť formovaná, otvára ďalšie možnosti využitia (možno aj v medicínskych odvetviach v zmysle takom, že by takéto nanočastice mohli v prostredí s mierne kyslým pH meniť svoj celkový tvar, spájať sa a ovplyvňovať tak patologické prostredie in vivo). Samozrejme je to len hypotéza, my sa momentálne zameriavame najmä na to, ako napomôcť celkovej stabilite nanoštruktúry resp. nanopolyméru / ako ho "vylepšiť". Okrem prezentovaných komplexov cielených na centrálnu dutinu pracujeme aj s úplne novými potenciálnymi ligandmi cielenými práve na i-motívy, ktoré zatiaľ priniesli celkom sľubné výsledky a navyše dosť intenzívne fluoreskujú, čo by sa dalo tiež využiť :-). Zmena pH a s ňou spojené vytvorenie celkového nanopolyméru je pozorovateľné aj voľným okom. Je sprevádzané agregáciou a zmenou celkovej viskozity roztoku.