Mentre il DNA è spesso idealizzato come la "molecola della vita, " è anche un polimero altamente sofisticato che può essere utilizzato per materiali di nuova generazione. Oltre al fatto che può memorizzare informazioni, ulteriori aspetti affascinanti del DNA sono le sue proprietà geometriche e topologiche, come l'annodatura e il superavvolgimento. Infatti, molto simile a un cavo telefonico attorcigliato, Il DNA si trova spesso arrotolato all'interno di batteri e altre cellule e persino annodato nei virus. Ora, una collaborazione di scienziati delle Università di Edimburgo, San Diego e Vienna hanno iniziato a sfruttare queste proprietà per creare fluidi complessi e materiali morbidi a base di DNA "topologicamente sintonizzabili" con potenziali applicazioni nella somministrazione di farmaci e nella rigenerazione dei tessuti, come pubblicato in Progressi scientifici .

La ben nota forma a doppia elica del DNA ha profonde implicazioni sul suo comportamento. Una molecola di DNA lineare, che è una molecola di DNA con due estremità, può girare e girare liberamente. Al contrario, l'unione delle due estremità per formare un cerchio di DNA comporta che qualsiasi torsione sopra o sotto della doppia elica rimanga "topologicamente bloccata, " cioè., la torsione extra non può essere rimossa senza tagliare la molecola. Le torsioni sopra o sotto hanno interessanti conseguenze sul modo in cui le molecole di DNA si dispongono nello spazio, in particolare, si avvolgono e si piegano su se stessi proprio come un vecchio cavo telefonico nelle cosiddette conformazioni superavvolte (Fig. 1). La deformazione del DNA allevia lo stress dalla torsione sopra/sotto, e quindi diminuisce la dimensione complessiva della molecola. Per questo motivo si pensa che il superavvolgimento sia un meccanismo naturale impiegato dalle cellule per impacchettare il loro genoma in piccoli spazi. Mentre la dimensione più piccola porta naturalmente a una diffusione più rapida delle molecole di DNA in soluzione, ad es. in acqua o attraverso i pori del gel, a causa della minore resistenza, questo comportamento ben compreso non si verifica quando molte molecole di DNA sono impacchettate e impigliate come spaghetti in una ciotola.

"Abbiamo eseguito simulazioni al computer su larga scala di soluzioni dense di molecole di DNA con diverso grado di superavvolgimento e abbiamo trovato diversi risultati sorprendenti, " spiega Jan Smrek dell'Università di Vienna, il primo autore dello studio. "In contrasto con il caso diluito, più gli anelli del DNA sono super-avvolti, maggiore è la loro dimensione." Poiché le molecole devono evitarsi a vicenda, le loro forme adottano conformazioni fortemente asimmetriche e ramificate che occupano più volume delle loro controparti non superavvolte. intrigante, e contrariamente alle aspettative, "Le molecole di DNA più grandi producono ancora una diffusione più rapida". La diffusione più rapida significa che la soluzione ha una viscosità inferiore.

Le molecole di DNA superavvolte che si trovano naturalmente nei batteri sono note come plasmidi. In vivo, le cellule hanno proteine ​​speciali chiamate topoisomerasi che possono ridurre la quantità di superavvolgimento nei plasmidi. "Grazie a queste proteine, che possono essere purificate e utilizzate in laboratorio, siamo in grado di controllare l'entità del superavvolgimento nei plasmidi di DNA entangled e studiarne le dinamiche utilizzando coloranti fluorescenti. Siamo rimasti sorpresi nello scoprire che, infatti, plasmidi di DNA che sono stati trattati con topoisomerasi, e quindi con basso superavvolgimento, sono più lenti delle loro controparti altamente superavvolte, " spiega Rae Robertson Anderson, che ha condotto gli esperimenti presso l'Università di San Diego.

Per spiegare le dinamiche sorprendentemente più rapide, gli scienziati hanno utilizzato simulazioni su larga scala su supercomputer per quantificare quanto siano entangled le molecole nelle soluzioni. Mentre è noto che un polimero a forma di anello, piuttosto simile a un plasmide di DNA circolare, può essere filettato da un altro anello, il che significa che quest'ultimo può perforare l'occhio del primo, non era noto come questo tipo di entanglement influisca sul movimento del DNA superavvolto. Grazie alle simulazioni, gli scienziati hanno scoperto che un alto grado di superavvolgimento diminuisce l'area penetrabile di ciascuna molecola risultante, a sua volta, in un minor numero di filettature tra i plasmidi e alla fine si ottiene una soluzione con viscosità inferiore. Tuttavia, i plasmidi potrebbero ancora avvolgersi l'uno intorno all'altro e vincolare il movimento l'uno dell'altro senza infilarsi. Ancora, il superavvolgimento irrigidisce le conformazioni e quindi le rende meno inclini a piegarsi e intrecciarsi strettamente, che riduce anche questo tipo di groviglio.

Davide Michieletto dell'Università di Edimburgo afferma:"Non solo abbiamo trovato questi nuovi effetti nelle simulazioni, ma abbiamo anche dimostrato sperimentalmente queste tendenze e sviluppato una teoria che le descrive quantitativamente. Modificando il superavvolgimento possiamo regolare a piacimento la viscosità di questi fluidi complessi. Ora comprendiamo molto meglio la connessione tra la geometria adattativa delle molecole e le proprietà dei materiali risultanti. Questo non è solo eccitante dal punto di vista fondamentale, ma promette anche utili applicazioni. Utilizzando enzimi dedicati, come la topoisomerasi, si possono progettare materiali morbidi a base di DNA commutabili con proprietà sintonizzabili".