Questo è il design del nastro di Möbius del DNA. Il DNA virale a filamento singolo viene utilizzato come impalcatura e 164 brevi segmenti di DNA vengono utilizzati come filamenti di base, per creare la nanostruttura. La forma di Möbius è composta da undici doppie eliche, assemblati in parallelo (a sinistra). Ogni lunghezza a doppia elica contiene una torsione di 180 gradi lungo il suo asse centrale, prima che si riconnetta senza soluzione di continuità con se stesso. L'elica centrale, (visto in rosso) cerchi una volta intorno alla lunghezza della striscia. Le altre eliche girano due volte, ruotando anche attorno all'elica centrale di 180 gradi prima di riconnettersi per chiudere il ciclo di Möbius. (Centro) Un piccolo segmento della striscia con i dettagli delle eliche mostrate. I fili dell'impalcatura sono visti in blu e i fili delle graffette sono di colori diversi. Per creare il Möbius, Sono state utilizzate 20,5 unità come questa, con il modello di piegatura preciso pre-programmato attraverso la progettazione di un appropriato accoppiamento di basi nucleotidiche. Immagine di microscopia a forza atomica (a destra). Credito:Nature Nanotechnology
L'enigmatico nastro di Möbius è stato a lungo oggetto di fascino, apparendo in numerose opere d'arte, la più famosa è una xilografia dell'olandese M.C. Escher, in cui una tribù di formiche attraversa il singolo della forma, superficie infinita.
Scienziati del Biodesign Institute dell'Arizona State University e del Dipartimento di Chimica e Biochimica, guidato da Hao Yan e Yan Liu, hanno ora riprodotto la forma su una scala notevolmente ridotta, unendo segmenti di DNA a forma di treccia per creare strutture Möbius che misurano solo 50 nanometri di diametro, all'incirca la larghezza di una particella virale.
Infine, i ricercatori sperano di sfruttare le proprietà materiali uniche di tali nano-architetture, applicandoli allo sviluppo di dispositivi di rilevamento biologico e chimico, nanolitografia, meccanismi di somministrazione dei farmaci ridotti alla scala molecolare e una nuova generazione di nanoelettronica.
Il team ha utilizzato un metodo di costruzione versatile noto come DNA origami e in una drammatica estensione della tecnica, (che chiamano DNA Kirigami), hanno tagliato le forme di Möbius risultanti lungo la loro lunghezza per produrre strutture ad anello attorcigliate e anelli ad incastro noti come catenani.
Il loro lavoro appare nel numero avanzato online di oggi della rivista Nanotecnologia della natura . Gli studenti laureati coinvolti in questo lavoro includono Dongran Han e Suchetan Pal nel gruppo Yan.
Fare un nastro di Möbius nel mondo di tutti i giorni è facile. Tagliare una striscia di carta stretta, avvicinare le due estremità della striscia in modo che coincidano, ma dai loro una mezza torsione prima di fissare le estremità insieme con un pezzo di scotch. Il risultante nastro di Möbius, che ha solo una superficie e un bordo limite, è un esempio di una forma topologica.
"Come nanoarchitetti, "Yan dice, "ci sforziamo di creare due classi di strutture:geometrica e topologica". Strutture geometriche in due e tre dimensioni abbondano nel mondo naturale, dalle complesse forme di cristallo alle stelle marine, e organismi unicellulari come le diatomee. Yan cita tali forme naturali come fonte illimitata di ispirazione per le nanostrutture progettate dall'uomo.
topologia, una branca della matematica, descrive le proprietà spaziali delle forme che possono essere attorcigliate, allungato o altrimenti deformato per dare nuove forme. Tali deformazioni di forma possono alterare profondamente la geometria di un oggetto, come quando una forma di ciambella viene pizzicata e allungata a forma di otto, ma la topologia superficiale di tali forme non è influenzata.
La natura è ricca anche di strutture topologiche, Yan nota, compreso l'elegante Möbius. Le circolazioni delle correnti oceaniche più calde e più fredde della terra, ad esempio, descrivere una forma di Möbius. Altre strutture topologiche sono comuni ai sistemi biologici, in particolare nel caso del DNA, i cui 3 miliardi di basi chimiche sono impacchettati dal cromosoma all'interno della cellula, utilizzando strutture topologiche. "Nei batteri, il DNA plasmidico è avvolto in un superavvolgimento, " spiega Yan. "Quindi gli enzimi possono entrare e tagliare e riconfigurare la topologia per alleviare la torsione nel superavvolgimento in modo che tutti gli altri macchinari cellulari possano avere accesso al gene per la replicazione, trascrizione e così via."
Per formare il nastro di Möbius nel presente studio, il gruppo si basava sulle proprietà di autoassemblaggio inerenti al DNA. Un filamento di DNA è formato da combinazioni di 4 basi nucleotidiche, adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G), che si susseguono sul filo come perline di collana. Queste perline nucleotidiche possono legarsi tra loro secondo una regola rigorosa:A si accoppia sempre con T, C con G. Così, un secondo, filamento complementare di DNA si lega al primo per formare la doppia elica del DNA.
Nel 2006, Paul Rothemund del Cal Tech ha dimostrato che il processo di autoassemblaggio del DNA potrebbe essere utilizzato per produrre nanoarchitetture 2D pre-progettate di una varietà sorprendente. Così, L'origami del DNA è emerso come un potente strumento per la progettazione di nanostrutture. Il metodo si basa su un lungo, segmento a filamento singolo di DNA, utilizzato come impalcatura strutturale e guidato attraverso l'accoppiamento di base per assumere la forma desiderata. Corto, "fili di base" sintetizzati chimicamente, " composte da basi complementari servono a tenere in posizione la struttura.
Dopo la sintesi e la miscelazione di graffette di DNA e filamenti di scaffold, la struttura è in grado di autoassemblarsi in un unico passaggio. La tecnica è stata utilizzata per produrre notevoli nanostrutture di faccine sorridenti, piazze, dischi, mappe geografiche, e anche parole, su una scala di 100 nm o meno. Ma la creazione di forme topologiche capaci di riconfigurazione, come quelli prodotti dalla natura, si è rivelato più impegnativo.
Una volta create le minuscole strutture di Möbius, sono stati esaminati con microscopia elettronica a forza atomica e trasmissione. Le immagini sorprendenti confermano che il processo di origami del DNA ha prodotto in modo efficiente strisce di Möbius simili a Escher che misurano meno di un millesimo della larghezza di un capello umano. Yan nota che le forme Möbius mostravano colpi di scena sia destrorsi che mancini. L'imaging ha permesso di determinare la manualità o la chiralità di ciascuna nanostruttura appiattita, in base ai dislivelli osservati in corrispondenza delle aree di sovrapposizione.
Un nastro di Möbius tagliato lungo la sua linea centrale, produce un Kirigami-Anello. Credito:Nature Nanotechnology
Prossimo, il team ha dimostrato la flessibilità topologica delle forme Möbius prodotte, utilizzando una tecnica di piegatura e taglio, o DNA Kirigami. Il Möbius può essere modificato tagliando lungo la lunghezza della striscia in punti diversi. Tagliare un Möbius lungo la sua linea centrale produce una nuova struttura, una forma ad anello contenente una torsione di 720 gradi o 4 mezze torsioni. Il design, che il gruppo chiama Kirigami-Ring non è più un Möbius poiché ha due spigoli e due superfici. Il Möbius può anche essere tagliato lungo la sua lunghezza per un terzo della sua larghezza, producendo un Kirigami-Catenane, un nastro di Möbius interconnesso con un anello superavvolto.
Per tagliare con precisione le nanostrutture di Möbius, è stata utilizzata una tecnica nota come spostamento del filo, in cui le graffette di DNA che tengono in posizione l'elica centrale sono dotate di cosiddetti filamenti toe-hold che sporgono dall'elica centrale. Un filamento complementare si lega al segmento della punta, rimuovendo le graffette e consentendo al Möbius di aprirsi nel Kirigami-Ring o nel Kirigami-Catenane.
Ancora, la riuscita sintesi di queste forme è stata confermata attraverso la microscopia, con le strutture Kirigami-Ring che si rilassano gradualmente a forma di otto.
Yan sottolinea che il successo del nuovo studio si è basato molto sul notevole senso dello spazio tridimensionale dell'autore principale Dongran Han, permettendogli di progettare nella sua testa strutture geometriche e topologiche. "Han e anche Pal sono studenti particolarmente brillanti, "Yan dice, sottolineando che la complessa concettualizzazione delle nanoarchitetture nella loro ricerca viene eseguita principalmente senza l'ausilio del computer. Il gruppo spera in futuro di creare un software in grado di semplificare il processo.
"Vogliamo spingere la tecnologia Origami-Kirigami a creare strutture più sofisticate per dimostrare che possiamo realizzare qualsiasi forma o topologia arbitraria utilizzando l'autoassemblaggio, " dice Han.
Avendo fatto breccia nella scultura, pittura e anche letteratura, (particolarmente, i romanzi dello scrittore francese Alain Robbe-Grillet), le strutture topologiche sono ora pronte a influenzare gli sviluppi scientifici alla più piccola scala.
