化学家使用核酸结合染料作为流行聚合方法的光催化剂

卡内基梅隆大学化学系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（ATRP），这是一种流行的方法，用于生成各种具有高度特异性、定制功能的材料。

这种新颖的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——一种可以精确控制聚合反应的多功能光催化剂。

“核酸结合染料是一种有趣的荧光分子，只有在核酸存在的情况下才会发光并被激活。因此，在我们的系统中，聚合只在核酸存在的情况下发生，这使我们能够通过选择合适的核酸作为辅因子来操纵该过程，”化学博士生 Jaepil Jeong 说。

这 工作科学家们表示，这项研究发表在《美国化学会杂志》上，有望推动基于核酸的材料和技术的新兴领域的发展，包括逻辑控制的 photoATRP、纳米加工和病原体检测。

ATRP 是最可靠的受控聚合方法，它使科学家能够将称为单体的小分子以逐个的方式串在一起，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线下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，在光照下会激活，但卡内基梅隆大学团队更进一步，使用核酸结合染料。

核酸结合染料是与核酸结合后发光的荧光探针。 它们已广泛应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通过荧光染料可视化 DNA 或 RNA。但现在，您不仅可以检测荧光，还可以使用荧光进行聚合，”Subha R. Das 说，化学副教授，卡内基梅隆大学核酸科学与技术中心成员。

“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，化学家可以设计聚合过程，使其仅在特定序列或结构的核酸存在下发生。

Jeong 是 Das 和 JC 华纳大学自然科学教授 Krzysztof Matyjaszewski 的共同顾问，他能够看到这些染料在常规用途之外的潜力。

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，他确认在没有核酸存在的情况下不会发生聚合。 添加核酸支架后，染料就会与其结合并在光照下发出荧光。

Jeong 发现，染料与核酸结合后，通常会显著提高荧光量子产率，延长荧光寿命。这使得电子能够高效地转移到为 ATRP 反应提供动力的铜催化剂上。此外，研究人员还发现，当使用更多 DNA 时，单体转化率会提高。

“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法来构建具有复杂结构的大分子，”Matyjaszewski 说，他于 1995 年开发了 ATRP，并继续创新和改进技术。

“它还使用 ATRP，仅在染料和核酸同时存在时产生高分子量聚合物，从而放大荧光信号。”

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。

今年 5 月毕业的郑教授表示，他很荣幸能得到来自不同专业的顾问的指导，这使他能够获得两个不同领域的知识和技能：聚合物化学和核酸工程。

“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。