Il DNA non è solo il progetto della vita, è diventata la spina dorsale per creare minuscole strutture che possono essere inserite nel corpo umano per diagnosticare e curare le malattie. In particolare, i ricercatori stanno puntando su una tecnica nota come DNA origami, in cui assemblano meticolosamente centinaia di filamenti di DNA per costruire una collezione lillipuziana di strutture che potrebbero includere contenitori per la consegna di farmaci, biosensori e altri dispositivi biocompatibili.

Negli sforzi che promettono di migliorare notevolmente questo processo, gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno ora trovato un modo per migliorare significativamente l'accuratezza delle informazioni chiave su come il calore influisce sulla stabilità delle strutture piegate del DNA.

Per funzionare in modo affidabile, queste strutture, solo poche decine di nanometri (miliardesimi di metro) di lunghezza, devono essere accuratamente modellati in ordine, Per esempio, somministrare farmaci a target specifici. Ma le forze, i legami idrogeno, che legano insieme pezzi di DNA per formare la famosa doppia elica dipendono sia dalla temperatura che dal loro ambiente locale.

Per determinare come i diversi filamenti di DNA reagiscono ai cambiamenti di temperatura, i ricercatori si basano su una serie di misurazioni che formano un grafico noto come curva di fusione del DNA. La curva rivela, ad esempio, la temperatura alla quale metà del filo si è "sciolta, " o svelato. Mostra anche la quantità di calore che i fili devono assorbire per aumentare la loro temperatura di un grado C. Rivelando queste e altre proprietà termiche dei fili, la curva fornisce agli scienziati le conoscenze per progettare durevoli, strutture più complesse fatte di DNA.

Per quanto importante sia la curva di fusione del DNA, rimane un problema di vecchia data nel misurarlo con precisione. A causa degli effetti di fondo e delle fonti sconosciute di variabilità, dozzine di campioni di DNA identici avranno curve di fusione diverse, limitando la capacità degli scienziati di estrarre informazioni significative.

I ricercatori del NIST hanno progettato un nuovo algoritmo matematico che tiene conto automaticamente di questi effetti sconosciuti, consentendo agli scienziati di sfruttare appieno i vantaggi della curva di fusione.

Come scienziati che hanno studiato diversi modi per perfezionare gli origami del DNA, I ricercatori del NIST Jacob Majikes e Alex Liddle conoscevano fin troppo bene le imprecisioni che affliggono la curva di fusione del DNA. In linea di principio, se loro e altri ricercatori potessero riprodurre con precisione tutte le condizioni di laboratorio in cui hanno misurato la curva, le incertezze potrebbero essere ridotte.

Ma date le minuscole quantità di DNA negli esperimenti, non più grandi di una goccia d'acqua, era difficile da fare in pratica. Quindi Majikes e Liddle hanno contattato un matematico del NIST, Anthony Kersley, e il suo collaboratore, il fisico del NIST Paul Patrone, nella speranza di trovare una soluzione matematica.

Per Kearsley e Patrone, la sfida era irresistibile:la vera curva di fusione del DNA era nascosta in ogni serie di misurazioni; la sfida era trovare un modo per rivelarlo. Nessuna teoria matematica nota descrive completamente la curva di fusione, quindi i ricercatori hanno dovuto trovare un modo per rimuovere le incertezze nella curva di fusione utilizzando solo i dati sperimentali. Con così poche informazioni, significava che dovevano essere creativi.

Alla ricerca di un algoritmo che risolva questo problema, il team ha riconosciuto che le distorsioni alle vere curve di fusione del DNA si stavano comportando in modo diretto. Questo è, le distorsioni erano simili a un tipo speciale di specchio della casa dei divertimenti, uno che conservava la spaziatura relativa tra i punti dati anche se contraeva o espandeva la curva, e questo ha permesso alle linee parallele di rimanere parallele. Per cercare di correggere quegli effetti, gli scienziati hanno applicato uno strumento matematico noto come trasformazione affine.

Kearsley e Patrone stavano cercando una particolare trasformazione affine, una che rendesse ogni set di dati conforme a tutti gli altri, in modo che sembrino essenzialmente uguali. Ma per trovare quella trasformazione, utilizzando una tecnica nota come ottimizzazione vincolata, gli scienziati hanno dovuto allontanarsi dalla lavagna e immergersi nella meccanica del laboratorio del DNA.

Né Kearsley né Patrone avevano mai sentito parlare di DNA origami, per non parlare delle misurazioni necessarie per assemblare la curva di fusione. Hanno posto dozzine di domande su ciascun componente dell'esperimento su nanoscala, determinare quali parti erano importanti da modellare e quali erano irrilevanti. Dopo settimane di calcoli teorici, Patrone ha avuto la sua prima possibilità di vedere l'esperimento vero e proprio. Osservò con stupore l'allestimento del laboratorio, con il suo array 8x12 di 96 minuscoli pozzetti, ciascuno contenente esattamente la stessa sequenza di DNA da cui Majikes e Liddle avevano registrato 96 diverse curve di fusione del DNA.

Armati di dati di laboratorio più che sufficienti, Kearsley e Patrone hanno approfondito il problema di ottimizzazione che pensavano avrebbe funzionato meglio per rimuovere gli errori. Quindi hanno applicato l'algoritmo a ciascuna delle 96 curve e hanno osservato cosa è successo.

Sullo schermo di un computer, la moltitudine di curve, distorto in modi diversi, è diventato indistinguibile, ognuno tracciando la stessa forma, altezza e punti finali. Le 96 curve erano collassate per diventare una singola curva di fusione del DNA.

"Eravamo convinti di aver risolto il problema, " ha detto Kearsley. I ricercatori riportano i loro risultati nel volume 607 di Biochimica analitica .

Gli scienziati hanno utilizzato gli origami del DNA per fabbricare nanorobot che eseguono operazioni di calcolo e compiti preprogrammati all'interno di organismi viventi. Hanno anche fatto affidamento sugli origami del DNA per creare contenitori in miniatura per la consegna di farmaci che si aprono solo quando identificano e si attaccano alle cellule infette.

Il team sta ora diffondendo la voce sul successo della loro soluzione, avvisando i ricercatori che eseguono gli origami del DNA che è possibile misurare con precisione la curva di fusione e guidare la crescita delle strutture degli origami del DNA. Altrettanto importante, detto Patrono, la stessa tecnica potrebbe essere applicata ad altri problemi biofisici in cui i dati veri sono oscurati da simili tipi di errori. I ricercatori stanno studiando come migliorare l'accuratezza degli esperimenti in cui le cellule umane scorrono attraverso minuscoli rilevatori di ricerca del cancro.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.