(Phys.org) — Nascosto in una minuscola tessera di DNA intrecciato c'è un messaggio. Il messaggio è semplice, ma decodificandolo svela il segreto dell'assemblaggio dinamico su nanoscala.

I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno ideato un modo dinamico e reversibile per assemblare strutture su scala nanometrica e lo hanno utilizzato per crittografare un messaggio in codice Morse. Guidati da Yi Lu, il professore di chimica Schenck, il team ha pubblicato il suo sviluppo nel Giornale della Società Chimica Americana .

Scienziati e ingegneri che lavorano con materiali su scala nanometrica utilizzano un'importante tecnica chiamata assemblaggio programmabile per combinare strategicamente semplici elementi costitutivi in ​​componenti o strutture funzionali più grandi. Tale assemblaggio è importante per applicazioni in elettronica, fotonica, medicina e molto altro.

La maggior parte delle tecniche di nanoassemblaggio standard producono un particolare, prodotto statico. Ma guardando la biologia, Lu ha visto molti assemblaggi dinamici:processi di costruzione reversibili, o sostituzioni che potrebbero essere effettuate dopo l'assemblaggio per aggiungere o cambiare funzione. Tale versatilità potrebbe consentire molte più applicazioni per materiali su scala nanometrica, così il gruppo di Lu ha deciso di esplorare sistemi su nanoscala che potessero assemblarsi in modo affidabile e reversibile.

"Penso che una sfida fondamentale per la scienza e l'ingegneria su scala nanometrica sia l'assemblaggio reversibile, " ha detto Lu. "I ricercatori ora sono abbastanza bravi a mettere i componenti nei posti che desiderano, ma non molto bravo a mettere e togliere qualcosa. Molte applicazioni richiedono un assemblaggio dinamico. Non vuoi solo assemblarlo una volta, vuoi farlo ripetutamente, e non solo utilizzando lo stesso componente, ma anche nuovi componenti".

Il gruppo ha sfruttato un sistema chimico comune in biologia. La proteina streptavidina si lega molto fortemente alla piccola molecola organica biotina – si attacca e non si lascia andare. Una piccola modifica chimica alla biotina produce una molecola che si lega anche alla streptavidina, ma lo tiene sciolto.

I ricercatori hanno iniziato con un modello di origami di DNA:più filamenti di DNA intrecciati in una tessera. Hanno "scritto" il loro messaggio nel modello di DNA attaccando filamenti di DNA legati alla biotina a posizioni specifiche sulle tessere che si illuminerebbero come punti o trattini. Nel frattempo, Il DNA legato al derivato della biotina riempiva le altre posizioni sullo stampo del DNA.

Quindi hanno immerso le piastrelle in una soluzione di streptavidina. La streptavidina si è legata sia alla biotina che al suo derivato, facendo "illuminare" tutti i punti sotto un microscopio a forza atomica e mimetizzando il messaggio. Per rivelare il messaggio nascosto, i ricercatori hanno quindi messo le piastrelle in una soluzione di biotina libera. Poiché si lega alla streptavidina in modo molto più forte, la biotina rimuove efficacemente la proteina dal derivato della biotina, in modo che solo i filamenti di DNA attaccati alla biotina inalterata mantenessero la loro streptavidina. Il messaggio in codice Morse, "NANO, " era chiaramente leggibile al microscopio.

I ricercatori hanno anche dimostrato caratteri non Morse, creando tessere che potevano passare avanti e indietro tra una "I" maiuscola e una "i" minuscola poiché streptavidina e biotina venivano aggiunte alternativamente.

"Questo è un importante passo avanti per l'assemblaggio su scala nanometrica, " disse Lu. "Ora possiamo codificare i messaggi in una scala molto più piccola, che è interessante. Ci sono più informazioni per pollice quadrato. Ma il progresso più importante è che ora che possiamo eseguire il montaggio reversibile, possiamo esplorare molto più versatile, applicazioni molto più dinamiche."

Prossimo, i ricercatori intendono utilizzare la loro tecnica per creare altri sistemi funzionali. Lu prevede sistemi di assemblaggio per svolgere un compito in chimica, biologia, rilevamento, fotonica o altra area, quindi sostituire un componente per dare al sistema una funzione aggiuntiva. Poiché la chiave della reversibilità è nelle diverse forze di legame, la tecnica non è limitata al sistema biotina-streptavidina e potrebbe funzionare per una varietà di molecole e materiali.

"Finché le molecole utilizzate nell'assemblaggio hanno due affinità diverse, possiamo applicare questo particolare concetto in altri modelli o processi, " disse Lu.