Gli ingegneri hanno sviluppato una tecnica che consente loro di posizionare con precisione dispositivi microscopici formati da molecole di DNA piegate non solo in una posizione specifica ma anche in un orientamento specifico.

Come prova di concetto, hanno organizzato più di 3, 000 dispositivi molecolari su nanoscala a forma di luna incandescente in uno strumento a forma di fiore per indicare la polarizzazione della luce. Ciascuno dei 12 petali puntato in una direzione diversa attorno al centro del fiore, e all'interno di ogni petalo circa 250 lune erano allineate alla direzione del petalo. Poiché ogni luna si illumina solo quando viene colpita da luce polarizzata che corrisponde al suo orientamento, il risultato finale è un fiore i cui petali si accendono in sequenza mentre la polarizzazione della luce su di esso viene ruotata. Il fiore, che copre una distanza inferiore alla larghezza di un capello umano, dimostra che migliaia di molecole possono essere orientate in modo affidabile sulla superficie di un chip.

Questo metodo per posizionare e orientare con precisione i dispositivi molecolari basati sul DNA può consentire di utilizzare questi dispositivi molecolari per alimentare nuovi tipi di chip che integrano i biosensori molecolari con l'ottica e l'elettronica per applicazioni come il sequenziamento del DNA o la misurazione delle concentrazioni di migliaia di proteine ​​a una volta.

La ricerca, pubblicato il 19 febbraio dalla rivista Scienza , si basa su oltre 15 anni di lavoro di Paul Rothemund di Caltech (BS '94), professore di ricerca di bioingegneria, scienze informatiche e matematiche, e sistemi di calcolo e neurali, e i suoi colleghi. Nel 2006, Rothemund dimostrò che il DNA poteva essere diretto a piegarsi in forme precise attraverso una tecnica chiamata DNA origami. Nel 2009, Rothemund e i colleghi di IBM Research Almaden hanno descritto una tecnica attraverso la quale gli origami del DNA possono essere posizionati in punti precisi sulle superfici. Fare così, hanno usato un processo di stampa basato su fasci di elettroni e hanno creato patch "appiccicose" aventi la stessa dimensione e forma dell'origami. In particolare, hanno mostrato che i triangoli di origami si legano proprio nella posizione delle toppe appiccicose triangolari.

Prossimo, Rothemund e Ashwin Gopinath, ex borsista postdottorato senior del Caltech e ora assistente professore al MIT, perfezionato ed esteso questa tecnica per dimostrare che i dispositivi molecolari costruiti da origami di DNA potrebbero essere integrati in modo affidabile in dispositivi ottici più grandi. "La barriera tecnologica è stata come organizzare in modo riproducibile un vasto numero di dispositivi molecolari nei modelli giusti sui tipi di materiali utilizzati per i chip, "dice Rothemund.

Nel 2016, Rothemund e Gopinath hanno mostrato che gli origami triangolari che trasportano molecole fluorescenti potrebbero essere usati per riprodurre un 65, Versione di 000 pixel di La notte stellata di Vincent van Gogh. In quel lavoro, origami di DNA triangolari sono stati usati per posizionare molecole fluorescenti all'interno di risonatori ottici delle dimensioni di un batterio; Il posizionamento preciso delle molecole fluorescenti era fondamentale poiché uno spostamento di soli 100 nanometri a sinistra oa destra avrebbe attenuato o illuminato il pixel di oltre cinque volte.

Ma la tecnica aveva un tallone d'Achille:"Poiché i triangoli erano equilateri ed erano liberi di ruotare e capovolgersi, potevano aderire in modo piatto sulla toppa triangolare appiccicosa sulla superficie in uno dei sei modi diversi. Ciò significava che non potevamo utilizzare alcun dispositivo che richiedesse un particolare orientamento per funzionare. Eravamo bloccati con dispositivi che avrebbero funzionato ugualmente bene quando puntati verso l'alto, fuori uso, o in qualsiasi direzione, " dice Gopinath. I dispositivi molecolari destinati al sequenziamento del DNA o alla misurazione delle proteine ​​devono assolutamente atterrare con il lato destro rivolto verso l'alto, quindi le vecchie tecniche del team rovinerebbero il 50 percento dei dispositivi. Per i dispositivi che richiedono anche un orientamento rotazionale unico, come i transistor, solo il 16% funzionerebbe.

Il primo problema da risolvere, poi, era far sì che l'origami del DNA atterrasse in modo affidabile con il lato corretto rivolto verso l'alto. "È un po' come garantire che il pane tostato atterra sempre magicamente con il burro rivolto verso l'alto quando viene gettato sul pavimento, " dice Rothemund. Con sorpresa dei ricercatori, rivestire l'origami con un tappeto di filamenti di DNA flessibili su un lato ha permesso a più del 95% di essi di atterrare a faccia in su. Ma rimaneva il problema del controllo della rotazione. I triangoli rettangoli con tre diverse lunghezze dei bordi sono stati il ​​primo tentativo dei ricercatori di ottenere una forma che potesse atterrare nella rotazione preferita.

Però, dopo aver lottato per ottenere solo il 40 percento dei triangoli rettangoli in modo che puntino nell'orientamento corretto, Gopinath ha reclutato scienziati informatici Chris Thachuk dell'Università di Washington, coautore del documento Science, e un ex postdoc Caltech; e David Kirkpatrick dell'Università della British Columbia, anche co-autore del Scienza carta. Il loro compito era trovare una forma che si bloccasse solo nell'orientamento previsto, indipendentemente dall'orientamento in cui potrebbe atterrare. La soluzione degli informatici era un disco con un foro decentrato, che i ricercatori hanno definito una "piccola luna". Le prove matematiche suggerivano che, a differenza di un triangolo rettangolo, piccole lune potrebbero ruotare senza intoppi per trovare il miglior allineamento con la loro zona appiccicosa senza rimanere bloccate. Gli esperimenti di laboratorio hanno verificato che oltre il 98 percento delle piccole lune ha trovato l'orientamento corretto sulle loro zone appiccicose.

Il team ha quindi aggiunto speciali molecole fluorescenti che si incastrano saldamente nelle eliche del DNA delle piccole lune, perpendicolare all'asse delle eliche. Ciò ha assicurato che le molecole fluorescenti all'interno di una luna fossero tutte orientate nella stessa direzione e si illuminassero più intensamente quando stimolate con luce di una particolare polarizzazione. "È come se ogni molecola portasse una piccola antenna, che può accettare l'energia dalla luce in modo più efficiente solo quando la polarizzazione della luce corrisponde all'orientamento dell'antenna, " dice Gopinath. Questo semplice effetto è ciò che ha permesso la costruzione del fiore sensibile alla polarizzazione.

Con metodi robusti per controllare l'orientamento su-giù e rotazionale degli origami del DNA, un'ampia gamma di dispositivi molecolari può ora essere integrata a basso costo in chip per computer ad alto rendimento per una varietà di potenziali applicazioni. Per esempio, Rothemund e Gopinath hanno fondato una società, Palamedrix, commercializzare la tecnologia per la costruzione di chip semiconduttori che consentano lo studio simultaneo di tutte le proteine ​​rilevanti per la salute umana. Caltech ha depositato domande di brevetto per l'opera.