I ricercatori del MIT e dell'Arizona State University hanno progettato un programma per computer che consente agli utenti di tradurre qualsiasi disegno a forma libera in un disegno bidimensionale, struttura su scala nanometrica fatta di DNA.

Fino ad ora, la progettazione di tali strutture ha richiesto competenze tecniche che rendono il processo fuori dalla portata della maggior parte delle persone. Utilizzando il nuovo programma, chiunque può creare una nanostruttura di DNA di qualsiasi forma, per applicazioni in biologia cellulare, fotonica, e rilevamento e calcolo quantistici, tra molti altri.

"Ciò che fa questo lavoro è consentire a chiunque di disegnare letteralmente qualsiasi forma 2-D e convertirla automaticamente in origami del DNA, "dice Mark Bathe, professore associato di ingegneria biologica al MIT e autore senior dello studio.

I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati nel numero del 4 gennaio di Progressi scientifici , e il programma, chiamato PERDICE, è disponibile in linea. Gli autori principali del documento sono Hyungmin Jun, un postdoc del MIT, e Fei Zhang, un assistente professore di ricerca presso l'Arizona State University. Altri autori sono il ricercatore associato del MIT Tyson Shepherd, recente dottorato di ricerca del MIT. destinatario Sakul Ratanalert, Assistente ricercatore dell'ASU Xiaodong Qi, e il professore dell'ASU Hao Yan.

Progettazione automatizzata

origami del DNA, la scienza di piegare il DNA in strutture minuscole, nato nei primi anni '80, quando Ned Seeman della New York University propose di sfruttare le capacità di accoppiamento delle basi del DNA per creare disposizioni molecolari arbitrarie. Nel 2006, Paul Rothemund di Caltech ha creato il primo ponteggio, strutture di DNA bidimensionali, tessendo un lungo filamento singolo di DNA (l'impalcatura) attraverso la forma in modo tale che i filamenti di DNA noti come "graffette" si ibridassero ad esso per aiutare la struttura complessiva a mantenere la sua forma.

Altri in seguito hanno utilizzato un approccio simile per creare complesse strutture di DNA tridimensionali. Però, tutti questi sforzi hanno richiesto una progettazione manuale complicata per instradare l'impalcatura attraverso l'intera struttura e per generare le sequenze dei trefoli dei punti metallici. Nel 2016, Bathe e i suoi colleghi hanno sviluppato un modo per automatizzare il processo di generazione di una struttura di DNA poliedrico 3-D, e in questo nuovo studio, hanno deciso di automatizzare la progettazione di strutture di DNA 2-D arbitrarie.

Per ottenere ciò, hanno sviluppato un nuovo approccio matematico al processo di instradamento dell'impalcatura a singolo filamento attraverso l'intera struttura per formare la forma corretta. Il programma per computer risultante può prendere qualsiasi disegno a forma libera e tradurlo nella sequenza del DNA per creare quella forma e nelle sequenze per i filamenti di punti metallici.

La forma può essere abbozzata in qualsiasi programma di disegno al computer e quindi convertita in un file CAD (computer-aided design), che viene inserito nel programma di progettazione del DNA. "Una volta che hai quel file, tutto è automatico, proprio come la stampa, ma qui l'inchiostro è DNA, "Dice il bagno.

Dopo che le sequenze sono state generate, l'utente può ordinare loro di fabbricare facilmente la forma specificata. In questo documento, i ricercatori hanno creato forme in cui tutti i bordi sono costituiti da due duplex di DNA, ma hanno anche un programma di lavoro che può utilizzare sei duplex per bordo, che sono più rigidi. Lo strumento software corrispondente per i poliedri 3D, chiamato TALOS, è disponibile online e sarà presto pubblicato sulla rivista ACS Nano. Le forme, che vanno da 10 a 100 nanometri di dimensione, può rimanere stabile per settimane o mesi, sospeso in una soluzione tampone.

"Il fatto che possiamo progettarli e fabbricarli in un modo molto semplice aiuta a risolvere un grosso collo di bottiglia nel nostro campo, "Dice Bathe. "Ora il campo può passare a gruppi molto più ampi di persone nell'industria e nel mondo accademico in grado di funzionalizzare le strutture del DNA e distribuirle per diverse applicazioni".

Modelli in nanoscala

Poiché i ricercatori hanno un controllo così preciso sulla struttura delle particelle di DNA sintetico, possono attaccare una varietà di altre molecole in posizioni specifiche. Questo potrebbe essere utile per modellare gli antigeni in modelli su scala nanometrica per far luce su come le cellule immunitarie riconoscono e vengono attivate da disposizioni specifiche di antigeni trovati su virus e batteri.

"Il modo in cui i modelli di antigeni su scala nanometrica vengono riconosciuti dalle cellule immunitarie è un'area dell'immunologia molto poco conosciuta, "Dice Bathe. "Attaccare gli antigeni alle superfici strutturate del DNA per visualizzarli in modelli organizzati è un modo potente per sondare quella biologia".

Un'altra applicazione chiave è la progettazione di circuiti di raccolta della luce che imitano i complessi fotosintetici presenti nelle piante. Per ottenere ciò, i ricercatori stanno attaccando coloranti sensibili alla luce noti come cromofori agli scaffold del DNA. Oltre a raccogliere luce, tali circuiti potrebbero essere utilizzati anche per eseguire il rilevamento quantistico e calcoli rudimentali. In caso di successo, questi sarebbero i primi circuiti di calcolo quantistico in grado di funzionare a temperatura ambiente, dice il bagno.