CAREER: Programmable Peptide Nucleic Acid Molecules as Building-blocks for Complex Nanostructures

职业:可编程肽核酸分子作为复杂纳米结构的构建模块

基本信息

  • 批准号:
    1944130
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 52.5万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-03-01 至 2025-02-28
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

This Faculty Early Career Development (CAREER) grant supports fundamental studies of the thermodynamic stability, morphology, and mechanics of a new type of nucleic acid nanotechnology built using a synthetic mimic of deoxyribonucleic acid or DNA. The programmability and responsive nature of nucleic acid-based nanostructures, nanomaterials and nanomachines give them the potential to transform nanosensing as well as manufacturing from the nanoscale to the mesoscale. However, without protection, DNA-based nanosystems can be unstable in organic solvents commonly used in polymer and peptide synthesis. This award investigates the processing-formation-mechanics relationships in novel, programmable gamma peptide nucleic acid (gammaPNA)-based materials for use in nanomanufacturing processes that depend on aggressive organic solvent solutions. This project advances the knowledge of nucleic acid self-assembly in the field of advanced manufacturing and has the potential to enable sequence-specific polymer synthesis as well as novel peptide assembly processes in polar organic solvents. The objective of the integrated education plan is to investigate voice assistants for advanced manufacturing education, research, and industrial workforce development. To this end, voice assistants are used in the classroom and in the laboratory for supportive training and education that demonstrates the importance of NIST and ASTM standards for nanomanufacturing.The specific goal of this research is to discover the design rules for building complex nanostructures with a preorganized synthetic DNA mimic. While preliminary studies suggest that gammaPNA can successfully hybridize in harsh environments and form filamentous nanostructures according to molecular programs defined by Watson-Crick base pairing, the morphology and mechanics of these nanostructures appear to be modulated by the solution conditions as well as the structural assembly motif and the gamma chemical modifications. This research investigates the effect of organic solvent type and concentration on the stability of all gammaPNA nanostructures. Using total internal fluorescence microscopy and transmission electron microscopy (TEM), the project investigates how substitution with DNA affects the thermodynamics of formation and melting of hybrid gammaPNA-DNA nanotube structures. Using TEM, the nanoscale morphology and “weave structure” are characterized, and, using persistence length studies, bending stiffness as a function of solvent and proportion of DNA is determined. Finally, the use of micropatterned seed features for templated growth and surface coating with these gammaPNA nanomaterials is investigated. Unlike electronegative DNA-based systems, PNA-based systems have a tendency to stick together forming bundles. By leveraging that distinct characteristic, superstructure formation using not only gammaPNA oligomer sequence but also external conditions like surface hydrophobicity could be controlled.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
这种教师早期职业发展(职业)赠款支持了使用脱氧核糖核酸或DNA的合成模仿建立的新型核酸纳米技术的热力学稳定性,形态和力学的基本研究。基于核酸的纳米结构,纳米材料和纳米机器的可编程性和响应性质使它们有可能转化纳米传感以及从纳米级转变为中尺度的纳米传感。但是,没有保护,基于DNA的纳米系统在聚合物和肽合成中常用的有机溶液中可能不稳定。该奖项研究了新型,可编程伽马肽核酸(Gammapna)基于依赖有机有机溶液的纳米制造过程中使用的材料中的加工形式力学关系。该项目在高级制造领域中促进了核酸自组装的知识,并有可能使序列特异性聚合物合成以及极性有机溶液中的新型肽组装过程。综合教育计划的目的是调查高级制造教育,研究和工业劳动力发展的语音助手。为此,在课堂和实验室中使用了语音助手,以支持培训和教育,这些培训和教育证明了NIST和ASTM标准在纳米制造中的重要性。这项研究的具体目标是发现针对构建与前组织的Synthetic DNA模拟的复杂纳米结构的设计规则。虽然初步研究表明,γ可以在有害环境中成功杂交,并根据沃森 - 克里克碱基配对所定义的分子程序形成丝状纳米结构,但这些纳米结构的形态和力学似乎是由溶液条件以及结构组件和伽玛化学化学方法调节的。这项研究研究了有机溶液类型和浓度对所有γ纳米结构稳定性的影响。使用总荧光显微镜和透射电子显微镜(TEM),该项目研究了用DNA取代如何影响杂交γ-DNA纳米管结构的形成和融化的热力学。使用TEM,表征了纳米级的形态和“编织结构”,并且使用持久长度研究,确定了弯曲刚度与已解决的函数,并确定DNA的比例。最后,研究了使用这些γ纳米材料的微图案种子特征用于模板的生长和表面涂层。与基于电气的DNA系统不同,基于PNA的系统具有将束组合在一起的趋势。通过利用独特的特征,不仅可以使用γ寡聚序列,而且还可以控制诸如表面疏水之类的外部条件,也可以控制外部条件。该奖项反映了NSF的法定任务,并通过使用基金会的知识分子和更广泛的影响审查标准来通过评估来诚实地通过评估来诚实地支持。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Modular self-assembly of gamma-modified peptide nucleic acids in organic solvent mixtures
有机溶剂混合物中伽马修饰肽核酸的模块化自组装
  • DOI:
    10.1038/s41467-020-16759-8
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Kumar, Sriram;Pearse, Alexander;Liu, Ying;Taylor, Rebecca E.
  • 通讯作者:
    Taylor, Rebecca E.
Self-Assembly of Gamma-Modified Peptide Nucleic Acids into Complex Nanostructures in Organic Solvent Mixtures
γ-修饰肽核酸在有机溶剂混合物中自组装成复杂纳米结构
  • DOI:
    10.3791/61351
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Kumar, Sriram;Liu, Ying;Taylor, Rebecca E.
  • 通讯作者:
    Taylor, Rebecca E.
Cell Penetrating Peptides, Novel Vectors for Gene Therapy
  • DOI:
    10.3390/pharmaceutics12030225
  • 发表时间:
    2020-03-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Taylor, Rebecca E.;Zahid, Maliha
  • 通讯作者:
    Zahid, Maliha
Modular, Articulated Models of DNA and Peptide Nucleic Acids for Nanotechnology Education
用于纳米技术教育的 DNA 和肽核酸的模块化、铰接模型
  • DOI:
    10.35459/tbp.2022.000225
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Goodwin-Schoen, Caleigh M.;Taylor, Rebecca E.
  • 通讯作者:
    Taylor, Rebecca E.
Rapid self‐assembly of γPNA nanofibers at constant temperature
γPNA 纳米纤维在恒温下快速自组装
  • DOI:
    10.1002/bip.23463
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Kumar, Sriram;Dhami, Isha;Thadke, Shivaji A.;Ly, Danith H.;Taylor, Rebecca E.
  • 通讯作者:
    Taylor, Rebecca E.
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