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卡内基梅隆大学新闻

化学家使用核酸结合染料作为ATRP的光催化剂

A graphic depicting a light bulb.

卡内基梅隆大学化学系(opens in new window)的研究人员开发了一种基于核酸的光催化剂,可以精确控制原子转移自由基聚合(opens in new window)(ATRP),这是一种常用的方法,用于生成具有高度特异性、定制功能的各种材料。这种新方法采用了一些旧的东西——与核酸结合的荧光染料——并将其变成了新的东西——一种多功能光催化剂,可以精确控制聚合反应。

“核酸结合染料是有趣的荧光分子,仅在核酸存在下发光并被激活。因此,在我们的系统中,聚合仅在存在核酸的情况下发生,使我们能够通过选择适当的核酸作为辅助因子来操纵该过程,“化学博士生Jaepil Jeong说。

据科学家称,这项工作发表在《美国化学学会杂志》(opens in new window),有望推进核酸基材料和技术的新兴领域,包括逻辑控制的光ATRP、纳米加工和病原体检测。

ATRP是最稳健的受控聚合方法,它允许科学家以逐块的方式将称为单体的小分子串在一起,从而产生具有特定性能的高度定制的聚合物。ATRP可以随意关闭或重新启动,具体取决于反应条件的变化。

控制反应的一种方法是使用光催化剂,这种材料可以通过暴露在光下来改变化学反应的速率。虽然有些光聚合系统使用简单的荧光染料,当暴露在光线下时会激活,但卡内基梅隆大学团队使用核酸结合染料更进一步。

核酸结合染料是荧光探针,在与核酸结合后会发光。它们已被广泛用于纳米和生物技术领域的诊断和分析应用。

“作为核酸科学家和化学家,我们一直使用染料来用荧光染料可视化DNA或RNA。但现在,你不仅要检测荧光,还要利用荧光进行聚合,“卡内基梅隆大学核酸科学与技术中心(opens in new window)化学副教授Subha R. Das(opens in new window)

“在我们的新系统中,只有当有DNA或RNA时才会有荧光,所以只有这样你才会有催化作用,”Das补充道。

由于存在与特定DNA或RNA结合的核酸结合染料,化学家可以将聚合过程设计为仅在存在特定核酸序列或结构的情况下发生。

Jeong 由 Das 和 J.C. Warner University 自然科学教授 Krzysztof Matyjaszewski(opens in new window) 共同提供建议,他看到了染料在常见用途之外的潜力。

Jeong使用流行的核酸结合染料与不同的核酸配对来测试他的概念,从简单的鲑鱼DNA和酵母RNA到更复杂的支架,如G-四链体DNA和DNA纳米花。首先,他证实,在没有核酸存在的情况下,聚合不会发生。一旦加入核酸支架,染料就会与它们结合,并在暴露于光线时发出荧光。

Jeong发现,在与核酸结合后,染料通常表现出显着增强的荧光量子产率和延长的荧光寿命。这使得电子能够有效地转移到为ATRP反应提供动力的铜催化剂上。此外,研究人员注意到,当他们使用更多的DNA时,单体转化率会增加。

“通过利用核酸结合染料的独特特性,仅在核酸支架存在的情况下实现聚合,这种新方法提供了一种有吸引力的方式来构建具有复杂结构的大分子,”Matyjaszewski说,他于1995年开发了ATRP,并继续创新和改进该技术。“它还使用ATRP来放大荧光信号,只有当染料和核酸同时存在时才能产生高分子量聚合物。

通过选择适当的核酸作为反应中的辅助因子,化学家可以更好地控制他们试图实现的特定聚合。

与Jeong,Matyjaszewski和Das一起,帕多瓦大学的Marco Fantin是JACS论文的作者。Fantin曾在Matyjaszewski担任博士后研究员,他提供了有关光催化机理电化学方面细节的专业知识。

今年5月毕业的Jeong说,他有幸得到具有不同专业知识的顾问的指导,这使他能够获得两个不同领域的知识和技能:高分子化学和核酸工程。

“使用核酸和结合染料作为光催化剂的想法是我的顾问密切和跨学科指导的结果,”他说。

该研究的资金包括美国国家科学基金会 (DMR 2202747, KM)、国防威胁减少局 (HDTRA 1-20-1-0014, JJ)、NextGenerationEU (MF) 和帕多瓦大学 2021 STARSGrants 计划 (MF) 的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文版原文来自https://www.cmu.edu/news/stories/archives/2024/may/chemists-use-nucleic-acid-binding-dyes-as-photocatalysts-for-atrp