La maggior parte delle persone ha familiarità con la doppia elica del DNA. La sua forma a scala contorta si forma perché i lunghi pezzi di DNA che compongono il nostro genoma sono esattamente complementari:ogni adenina è accoppiata a una timina e ogni citosina è accoppiata a una guanina. Le sequenze di questi quattro nucleotidi contengono le informazioni necessarie per costruire le proteine nel nostro corpo, ma codificano anche la propria struttura a doppia elica.
A partire dagli anni ’80, tuttavia, gli scienziati hanno sfruttato queste regole di accoppiamento per costruire strutture diverse dalle doppie eliche. Questo campo è chiamato nanotecnologia del DNA e la sua implementazione più popolare, l'origami del DNA, consente ai ricercatori di piegare il DNA in qualsiasi forma, fornendo un approccio potente per costruire dispositivi e macchine su scala nanometrica.
L'origami di DNA consiste nel mettere un lungo pezzo di DNA, chiamato impalcatura, insieme a centinaia di brevi pezzi di DNA accuratamente selezionati, chiamati graffette, in una provetta e lasciarli piegare insieme nella struttura progettata.
La tecnologia è straordinariamente efficiente, poiché l’intero processo avviene in un’unica fase sperimentale. Nonostante l'apparente semplicità, il processo è complesso e gli scienziati non hanno un quadro completo di ciò che accade durante la piegatura. I microscopi normali hanno difficoltà a vedere le strutture degli origami di DNA perché sono così piccoli e quelli che possono richiedere che le strutture siano attaccate a una superficie.
Un modo per cercare di comprendere questo processo è attraverso simulazioni al computer, utilizzando un approccio noto come dinamica molecolare. I ricercatori hanno provato a utilizzare queste simulazioni in passato per capire cosa succede quando le strutture degli origami di DNA si piegano. Tuttavia, i modelli esistenti considerano ogni singolo nucleotide e i movimenti risultanti della struttura in evoluzione nell’arco di miliardi di piccoli passi temporali. Il processo è impegnativo dal punto di vista computazionale e limita la dimensione delle strutture e il tempo durante il quale è possibile simulare la dinamica.
Per aggirare questo ostacolo, Gaurav Arya, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke University, e il suo dottorando Marcello Deluca stanno facendo un passo indietro.
Invece di simulare ogni singolo nucleotide, hanno sviluppato un nuovo modello che consente loro di catturare la dinamica di questo processo considerando solo il comportamento di gruppi di otto nucleotidi. Questa semplificazione significa che, sebbene siano ancora in grado di simulare la struttura per miliardi di passaggi, ciascuno di questi passaggi può essere molto più grande e ogni passaggio è più facile da simulare.
Utilizzando questo approccio in un articolo pubblicato online l'8 aprile su Nature Communications , Arya e DeLuca hanno dimostrato di poter modellare la dinamica del ripiegamento centinaia di volte per origami di DNA di dimensioni superiori a 8.000 nucleotidi. Il record precedente per una singola simulazione era di 770.
"La nostra tecnica manca dei dettagli molecolari dei modelli esistenti, ma non è quello che stiamo cercando qui", ha detto Arya. "Siamo interessati alle dinamiche globali di intere strutture complesse mentre si autoassemblano."
I risultati stanno già rivelando molte nuove informazioni sulle dinamiche della piegatura degli origami. Ad esempio, lo studio ha scoperto che queste strutture iniziano ad assomigliare molto alle strutture finali piegate molto presto nel processo, ma impiegano molto tempo per cristallizzarsi nella loro forma finale. Lo studio ha anche suggerito che un fenomeno chiamato slancio di ripiegamento, che è molto importante nel ripiegamento delle proteine, potrebbe essere in gioco anche nel ripiegamento degli origami.
Arya e DeLuca affermano che questo approccio potrebbe eventualmente aiutare le centinaia di altri gruppi di ricerca che lavorano in questo campo a ottimizzare la piegatura delle loro strutture. Potendo simulare il risultato della piegatura di un progetto più volte in un breve periodo, gli scienziati saranno in grado di prevedere il prodotto finale e apportare miglioramenti al loro progetto prima ancora che debba essere acquistato e piegato in laboratorio.
Sottolineano inoltre che questo approccio di modellazione potrebbe contribuire ad accelerare le potenziali applicazioni degli origami di DNA, ad esempio nella somministrazione di farmaci, poiché fornisce una comprensione più completa di ciò che sta accadendo.
"I dispositivi origami di DNA possono essere progettati per rilasciare automaticamente le molecole intrappolate una volta esposte a un determinato ambiente, come i livelli di pH più bassi riscontrati all'interno di un tumore", ha affermato DeLuca.
"Ma una sfida importante per ottenere l'approvazione di qualcosa del genere è una comprensione sufficiente di questi dispositivi, compreso il modo in cui si piegano e rilasciano il carico. Se riusciamo a tracciare un quadro migliore, ciò potrebbe alleviare le preoccupazioni normative per questi tipi di terapie."
Ulteriori informazioni: Marcello DeLuca et al, Meccanismo di ripiegamento del DNA negli origami chiarito mediante simulazioni mesoscopiche, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46998-y
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dalla Duke University
