alcuni non più grandi di virus, sono stati costruiti attraverso una tecnica rivoluzionaria nota come DNA origami. Ora, Hao Yan, Yan Liu e i loro colleghi del Biodesign Institute dell'Arizona State University hanno ampliato la capacità di questo metodo di costruire arbitrariamente, forme bidimensionali e tridimensionali, imitando quelli che si trovano comunemente in natura.

Tali forme minuscole possono alla fine trovare la loro strada in una vasta gamma di dispositivi, da componenti informatici ultra-minuscoli a sentinelle nanomediche utilizzate per colpire e distruggere le cellule aberranti o fornire terapie a livello cellulare o addirittura molecolare.

Nel numero di oggi di Science, il gruppo Yan descrive un approccio che capitalizza (ed estende) il potenziale architettonico del DNA. Il nuovo metodo è un passo importante nella direzione della costruzione di strutture su scala nanometrica con curvatura complessa, un'impresa che è sfuggita ai metodi convenzionali di origami del DNA. "Siamo interessati a sviluppare una strategia per riprodurre le forme complesse della natura, " ha detto Yan.

La tecnica dell'origami del DNA è stata introdotta nel 2006 dallo scienziato informatico Paul W.K. Rothemund di Caltech. Si basa sulle proprietà autoassemblanti delle quattro coppie di basi complementari del DNA, che uniscono i filamenti della famosa doppia elica della molecola. Quando questi nucleotidi, etichettato A, T, C, e G, interagire, si uniscono tra loro secondo una semplice formula:A si accoppia sempre con T e
C con G.

Nanodesigner come Yan trattano la molecola del DNA come un materiale da costruzione versatile, uno che sperano di prendere in prestito dalla natura e adattarlo per nuovi scopi. Negli origami tradizionali del DNA, una forma bidimensionale viene prima concettualizzata e disegnata. Questo profilo poligonale viene quindi riempito utilizzando brevi segmenti di DNA a doppia elica, disposti in parallelo. Questi segmenti possono essere paragonati a pixel, elementi digitali utilizzati per creare parole e immagini visualizzate sullo schermo di un computer.

Infatti, Rothemund e altri sono stati in grado di utilizzare segmenti di DNA simili a pixel per comporre una varietà di eleganti forme bidimensionali, (stelle, romboidi, forme di fiocchi di neve, facce sorridenti, parole semplici e persino mappe), così come alcune rudimentali strutture tridimensionali. Ognuno di questi si basa sulle semplici regole dell'autoassemblaggio che guida l'accoppiamento della base nucleotidica.

Una volta che la forma desiderata è stata incorniciata da una lunghezza di DNA a singolo filamento, brevi "fili di base" di DNA integrano la struttura e fungono da collante per tenere insieme la forma desiderata. La sequenza nucleotidica del filamento dell'impalcatura è composta in modo tale da attraversare ogni elica del disegno, come un filo serpentino che intreccia un patchwork di tessuto. Ulteriore rinforzo è fornito dai trefoli in fiocco, che sono anche pre-progettati per attaccarsi alle regioni desiderate della struttura finita, attraverso l'accoppiamento di basi.

"Per realizzare oggetti curvi è necessario andare oltre l'approssimazione della curvatura mediante pixel rettangolari. Le persone sul campo sono interessate a questo problema. Ad esempio, Il gruppo di William Shih alla Harvard Medical School ha recentemente utilizzato l'inserimento e l'eliminazione mirati di coppie di basi in segmenti selezionati all'interno di un blocco di costruzione 3D per indurre la curvatura desiderata. Tuttavia, rimane un compito arduo progettare sottili curvature su una superficie 3D, " ha dichiarato Yan.

"Il nostro obiettivo è sviluppare principi di progettazione che consentano ai ricercatori di modellare forme 3D arbitrarie con il controllo del grado di curvatura della superficie. In una fuga da un modello a reticolo rigido, la nostra strategia versatile inizia definendo le caratteristiche della superficie desiderate di un oggetto target con l'impalcatura, seguita dalla manipolazione della conformazione del DNA e dalla modellazione di reti incrociate per ottenere il design, " ha detto Liù.

Per realizzare questa idea, Lo studente laureato di Yan, Dongran Han, ha iniziato realizzando semplici strutture ad anello concentriche bidimensionali, ogni anello formato da una doppia elica del DNA. Gli anelli concentrici sono legati tra loro mediante punti di incrocio strategicamente posizionati. Queste sono regioni in cui uno dei filamenti in una data doppia elica passa a un anello adiacente, colmare il divario tra le eliche concentriche. Tali incroci aiutano a mantenere la struttura degli anelli concentrici, impedendo al DNA di estendersi.

La variazione del numero di nucleotidi tra i punti di crossover e il posizionamento dei crossover consente al progettista di combinare elementi affilati e arrotondati in un'unica forma 2D, come si può vedere nella figura 1 a &b, (con immagini di accompagnamento prodotte dalla microscopia a forza atomica, rivelando le strutture reali che si sono formate attraverso l'autoassemblaggio). Una varietà di tali progetti 2D, compreso un anello aperto a 9 strati e una stella a tre punte, sono stati prodotti.

La rete di punti di incrocio può anche essere progettata in modo tale da produrre combinazioni di curvature nel piano e fuori dal piano, consentendo la progettazione di nanostrutture 3D curve. Sebbene questo metodo mostri una notevole versatilità, la gamma di curvatura è ancora limitata per il DNA della forma B standard, che non tollererà grandi deviazioni dalla sua configurazione preferita:10,5 paia di basi/giro. Però, nel ruolo di Jeanette Nangreave, spiega uno dei coautori del documento, "Hao ha riconosciuto che se tu potessi ruotare leggermente sopra o sotto torcere queste eliche, potresti produrre diversi angoli di piegatura."

Combinando il metodo delle eliche concentriche con tale DNA non in forma B (con 9-12 paia di basi/giro), ha permesso al gruppo di produrre forme sofisticate, comprese le sfere, emisferi, gusci ellissoidi e infine, come tour de force del nanodesign, un nanoflask a fondo tondo, che appare inconfondibilmente in una serie di sorprendenti immagini di microscopia elettronica a trasmissione (vedi figura 1, c-f)

"Questo è un buon esempio di lavoro di squadra in cui ogni membro apporta le proprie capacità uniche al progetto per far accadere le cose". Gli altri autori includono Suchetan Pal e Zhengtao Deng, che ha anche dato un contributo significativo nell'imaging delle strutture.

Yan spera di espandere ulteriormente la gamma di nanoforme possibili attraverso la nuova tecnica. Infine, ciò richiederà lunghezze maggiori di DNA a singolo filamento in grado di fornire l'impalcatura necessaria per strutture più elaborate. Attribuisce al suo brillante studente (e primo autore dell'articolo) Dongran Han una notevole capacità di concettualizzare le nanoforme 2 e 3D e di navigare nei dettagli spesso sconcertanti del loro design. Alla fine però, le nanoarchitetture più sofisticate richiederanno programmi di progettazione assistita da computer, un'area che il team sta attivamente perseguendo.

La riuscita costruzione di chiusi, Le nanoforme 3D come la sfera hanno aperto la porta a molte eccitanti possibilità per la tecnologia, soprattutto in ambito biomedico. Le nanosfere potrebbero essere introdotte nelle cellule viventi, ad esempio, rilasciando il loro contenuto sotto l'influenza di endonucleasi o altri componenti digestivi. Un'altra strategia potrebbe utilizzare sfere come i nanoreattori, siti in cui prodotti chimici o gruppi funzionali potrebbero essere riuniti per accelerare le reazioni o eseguire altre manipolazioni chimiche.