Nel 2006, Paul Rothemund del Caltech (BS '94), ora professore di bioingegneria, scienze informatiche e matematiche, e sistemi di calcolo e neurali, hanno sviluppato un metodo per piegare un lungo filamento di DNA in una forma prescritta. La tecnica, soprannominato DNA origami, ha permesso agli scienziati di creare strutture di DNA autoassemblanti che potrebbero portare qualsiasi modello specificato, come una faccina sorridente larga 100 nanometri.

L'origami del DNA ha rivoluzionato il campo delle nanotecnologie, aprendo la possibilità di costruire minuscoli dispositivi molecolari o materiali programmabili "intelligenti". Però, alcune di queste applicazioni richiedono strutture di origami di DNA molto più grandi.

Ora, scienziati nel laboratorio di Lulu Qian, assistente professore di bioingegneria al Caltech, hanno sviluppato un metodo economico mediante il quale l'origami del DNA si autoassembla in grandi matrici con modelli interamente personalizzabili, creando una sorta di tela in grado di visualizzare qualsiasi immagine. Per dimostrare questo, il team ha creato la più piccola ricostruzione al mondo della Gioconda di Leonardo da Vinci, partendo dal DNA.

Il lavoro è descritto in un articolo apparso nel numero del 7 dicembre della rivista Natura .

Mentre il DNA è forse meglio conosciuto per codificare le informazioni genetiche degli esseri viventi, la molecola è anche un ottimo elemento chimico. Una molecola di DNA a filamento singolo è composta da molecole più piccole chiamate nucleotidi, abbreviate A, T, C, e G - arrangiato in una stringa, o sequenza. I nucleotidi in una molecola di DNA a singolo filamento possono legarsi con quelli di un altro singolo filamento per formare DNA a doppio filamento, ma i nucleotidi si legano solo in modi molto specifici:un nucleotide A con un nucleotide T o un nucleotide C con un G. Queste "regole" di accoppiamento delle basi rigorose rendono possibile progettare origami di DNA.

Per creare un singolo quadrato di origami di DNA, basta un lungo filamento singolo di DNA e molti filamenti singoli più corti, chiamati graffette, progettati per legarsi a più punti designati sul lungo filamento. Quando i punti corti e il filo lungo vengono combinati in una provetta, le graffette tirano insieme le regioni del lungo filo, facendolo piegare su se stesso nella forma desiderata. Una grande tela DNA è assemblata da molte tessere origami quadrate più piccole, come mettere insieme un puzzle. Le molecole possono essere fissate selettivamente alle graffette per creare uno schema in rilievo che può essere visto utilizzando la microscopia a forza atomica.

Il team di Caltech ha sviluppato un software in grado di acquisire un'immagine come la Gioconda, dividerlo in piccole sezioni quadrate, e determinare le sequenze di DNA necessarie per formare quei quadrati. Prossimo, la loro sfida era quella di ottenere quelle sezioni da autoassemblare in una sovrastruttura che ricreasse la Gioconda.

"Potremmo realizzare ogni piastrella con graffette per bordi uniche in modo che possano legarsi solo a determinate altre piastrelle e autoassemblarsi in una posizione unica nella sovrastruttura, " spiega Grigory Tikhomirov, studioso postdottorato senior e autore principale del documento, "ma allora dovremmo avere centinaia di bordi unici, che sarebbe non solo molto difficile da progettare, ma anche estremamente costoso da sintetizzare. Volevamo utilizzare solo un numero limitato di punti metallici diversi, ma comunque ottenere tutte le tessere nei punti giusti".

La chiave per farlo era assemblare le piastrelle in più fasi, come assemblare piccole regioni di un puzzle e poi assemblarle per creare regioni più grandi prima di mettere insieme le regioni più grandi per realizzare il puzzle completato. Ogni mini puzzle utilizza gli stessi quattro bordi, ma poiché questi puzzle sono assemblati separatamente, non c'è rischio, Per esempio, di una piastrella d'angolo attaccata nell'angolo sbagliato. Il team ha chiamato il metodo "assemblaggio frattale" perché lo stesso insieme di regole di assemblaggio viene applicato a scale diverse.

"Una volta sintetizzata ogni singola tessera, mettiamo ciascuno nella propria provetta per un totale di 64 provette, "dice Philip Petersen, uno studente laureato e co-primo autore della carta. "Sappiamo esattamente quali piastrelle sono in quali tubi, quindi sappiamo come combinarli per assemblare il prodotto finale. Primo, combiniamo insieme il contenuto di quattro particolari tubi fino ad ottenere 16 quadrati due per due. Quindi questi vengono combinati in un certo modo per ottenere quattro tubi ciascuno con un quadrato quattro per quattro. E poi gli ultimi quattro tubi vengono combinati per creare uno grande, quadrato otto per otto composto da 64 tessere. Progettiamo i bordi di ogni piastrella in modo da sapere esattamente come si combinano".

La struttura finale del team di Qian era 64 volte più grande della struttura origami del DNA originale progettata da Rothemund nel 2006. Sorprendentemente, grazie al riciclo delle stesse interazioni di bordo, il numero di diversi filamenti di DNA richiesti per l'assemblaggio di questa sovrastruttura del DNA era circa lo stesso dell'origami originale di Rothemund. Questo dovrebbe rendere il nuovo metodo altrettanto conveniente, secondo Qian.

"La natura gerarchica del nostro approccio consente di utilizzare solo un piccolo e costante insieme di elementi costitutivi unici, in questo caso filamenti di DNA con sequenze uniche, realizzare strutture di dimensioni crescenti e, in linea di principio, un numero illimitato di dipinti diversi, " dice Tikhomirov. "Questo approccio economico di costruire di più con meno è simile a come sono costruiti i nostri corpi. Tutte le nostre cellule hanno lo stesso genoma e sono costruite utilizzando lo stesso insieme di elementi costitutivi, come gli amminoacidi, carboidrati, e lipidi. Però, attraverso la variazione dell'espressione genica, ogni cella utilizza gli stessi mattoni per costruire macchinari diversi, Per esempio, cellule muscolari e cellule della retina”.

Il team ha anche creato un software per consentire agli scienziati di tutto il mondo di creare nanostrutture di DNA utilizzando l'assemblaggio frattale.

"Per rendere la nostra tecnica facilmente accessibile ad altri ricercatori interessati a esplorare applicazioni utilizzando nanostrutture di DNA piatte su scala micrometrica, abbiamo sviluppato uno strumento software online che converte l'immagine desiderata dell'utente in filamenti di DNA e protocolli di laboratorio umido, " dice Qian. "Il protocollo può essere letto direttamente da un robot che manipola liquidi per mescolare automaticamente i filamenti di DNA insieme. La nanostruttura del DNA può essere assemblata senza sforzo".

Utilizzando questo strumento software online e tecniche di gestione automatica dei liquidi, diversi altri modelli sono stati progettati e assemblati da filamenti di DNA, tra cui un ritratto a grandezza naturale di un batterio e un ritratto a grandezza naturale di un gallo.

"Altri ricercatori hanno precedentemente lavorato sul collegamento di diverse molecole come polimeri, proteine, e nanoparticelle a tele di DNA molto più piccole allo scopo di costruire circuiti elettronici con caratteristiche minuscole, fabbricazione di materiali avanzati, o studiando le interazioni tra sostanze chimiche o biomolecole, " dice Petersen. "Il nostro lavoro offre loro una tela ancora più grande su cui attingere".