Utilizzando una tecnica nota come DNA origami, Il biofisico Hendrik Dietz costruisce da diversi anni oggetti su scala nanometrica presso l'Università tecnica di Monaco (TUM). Ora, Dietz e il suo team non solo sono usciti dal regno dei nanometri per costruire oggetti più grandi, ma hanno anche ridotto di mille volte i costi di produzione. Queste innovazioni aprono una nuova frontiera per la tecnologia.

I virus incapsulano il loro materiale genetico in un guscio che comprende una serie di elementi costitutivi proteici identici. La capsula del virus dell'epatite B, Per esempio, comprende 180 subunità identiche, un tipico caso di costruzione "prefabbricata" dispiegata frequentemente in natura.

Il team guidato da Hendrik Dietz, Il professore di nanotecnologia biomolecolare alla TU di Monaco ha ora trasferito i principi di costruzione virale alla tecnologia degli origami del DNA. Ciò consente loro di progettare e costruire strutture sulla scala di virus e organelli cellulari.

La tecnologia si basa su un lungo filamento singolo che viene aggiunto a una struttura a doppio filamento utilizzando brevi sequenze di punti. "La struttura a doppio filamento è energeticamente sufficientemente stabile in modo che possiamo forzare il singolo filamento in quasi qualsiasi forma utilizzando controparti opportunamente scelte, " spiega Hendrik Dietz. "In questo modo possiamo progettare con precisione oggetti nel computer di appena pochi nanometri".

Ingranaggi per nanomotori

Il laboratorio Dietz comanda tecniche che consentono loro di modificare ulteriormente e inserire funzionalità chimiche negli oggetti aggiungendo gruppi laterali. Ma, fino ad ora, la dimensione degli oggetti è rimasta nel regno dei nanometri. Sulla rivista scientifica Natura , il team ora descrive come è possibile costruire strutture più grandi utilizzando parti prefabbricate.

A tal fine, hanno prima creato nano-oggetti a forma di V. Questi hanno siti di legame complementari di forma sui loro lati, permettendo loro di attaccarsi autonomamente l'uno all'altro mentre galleggiano in una soluzione. A seconda dell'angolo di apertura, formano "ingranaggi" con numero controllato di raggi.

"Siamo stati entusiasti di osservare che, quasi senza eccezioni, anelli formati come definito dall'angolo di apertura, " afferma Hendrik Dietz. "Decisivo per la capacità di costruire oggetti di queste dimensioni e complessità è la precisione e la rigidità dei singoli elementi costitutivi. Abbiamo dovuto rinforzare i singoli elementi con traverse, ad esempio."

Costruzione di microtubi

Per sfruttare ulteriormente il principio di costruzione, il team ha creato nuovi blocchi di costruzione che avevano "giunti di colla" non solo sui lati, ma anche quelli leggermente più deboli nella parte superiore e inferiore. Ciò consente ai "nano-ingranaggi" di formare lunghi tubi utilizzando i siti di attracco aggiuntivi in ​​una seconda fase.

"A lunghezze di un micrometro e un diametro di diverse centinaia di nanometri, questi tubi hanno raggiunto le dimensioni di alcuni batteri, " spiega Hendrik Dietz. "E possiamo usare l'architettura dei singoli elementi per determinare le caratteristiche della struttura complessiva".

Costruire strutture poliedriche

Ispirato alle simmetrie e al design gerarchico dei virus, i ricercatori hanno anche tentato di costruire strutture a gabbia chiusa. "Una potenziale applicazione futura delle gabbie artificiali è il trasporto di farmaci nel corpo, " spiega Hendrik Dietz. "Qui, l'obiettivo è rilasciare agenti attivi solo in posizioni specifiche desiderate, risparmiando il resto del corpo».

Utilizzando i principi già applicati alle strutture descritte in precedenza, il team ora ha costruito nuovi elementi che speravano si sarebbero assemblati in modo autolimitante in strutture a gabbia nelle giuste condizioni. Secondo queste strategie una sezione centrale triangolare e tre elementi a forma di V danno luogo a un elemento edilizio a tre punte.

A seconda dell'angolo di apertura della V, un numero definito di queste unità si fondono per formare tetraedri, strutture esaedriche o dodecaedriche in una seconda fase. Le strutture finali integrano fino a 1,8 milioni di coppie di basi di DNA indirizzabili in posizioni definite dall'utente. Per la prima volta, queste gabbie di dimensioni discrete raggiungono pesi molecolari e dimensioni paragonabili a quelle di virus e organelli a piccole cellule.

Produzione di massa conveniente

Ad oggi, i processi produttivi hanno limitato il campo di applicazione a quelli che richiedono solo piccole quantità di materiale. Il fatto che solo pochi microgrammi possano essere prodotti con metodi convenzionali preclude molte potenziali applicazioni mediche e di scienza dei materiali.

Il collo di bottiglia sono i fili di fiocco corti che devono essere prodotti chimicamente base per base. Il filamento principale ottenuto dai batteriofagi, d'altra parte, può essere prodotto su larga scala utilizzando processi biotecnologici.

Ecco perché il team guidato da Hendrik Dietz ha raffinato i cosiddetti enzimi del DNA, una scoperta che deriva dalla biotecnologia sintetica. Questi sono filamenti di DNA che si rompono in posizioni specifiche quando esposti ad un'alta concentrazione di ioni zinco.

Hanno unito le sequenze di punti corti a un lungo filamento utilizzando ciascuno due enzimi di DNA modificati. "Una volta assemblato con precisione con una sequenza di basi specifica, questi filamenti combinati possono essere riprodotti in un processo biotecnologico, come con i singoli filamenti di DNA batteriofago, "dice Dietz, spiegando la caratteristica fondamentale del processo.

Produzione biotecnologica su larga scala

Sia il filamento principale che il filamento secondario, comprendendo gli enzimi del DNA e le sequenze di fiocco, sono stati prodotti con successo utilizzando un processo ad alta densità cellulare con batteri. Il processo è scalabile e quindi suscettibile di produzione ad alto volume dei principali trefoli e punti metallici. L'aumento della concentrazione di ioni zinco dopo l'isolamento del DNA rilascia le brevi sequenze di punti, che poi piegano il filo principale nella forma desiderata.

Studi approfonditi sui meccanismi di reazione in collaborazione con i colleghi dell'Istituto di ingegneria biochimica hanno dimostrato che ciò è possibile anche su larga scala. Presso il Centro di ricerca TUM per la biotecnologia industriale di Garching, gli scienziati hanno ora prodotto più grammi di quattro diversi oggetti di origami di DNA. Il ridimensionamento del processo a una scala di metri cubi è ora a portata di mano.

"L'interazione tra biotecnologia e tecnologia di processo ha quindi consentito di stabilire una pietra miliare davvero fondamentale sulla strada delle future applicazioni nella nanotecnologia del DNA, "dice il professor Dirk Weuster-Botz, Presidente dell'Istituto di Ingegneria Biochimica.