Il programma CanDo (computer-aided engineering for DNA origami) può convertire un progetto di origami DNA 2-D in una forma 3-D complessa, visto qui. Immagine:Do-Nyun Kim
Mentre il compito principale del DNA nelle cellule è quello di trasportare le informazioni genetiche da una generazione all'altra, alcuni scienziati vedono anche la molecola altamente stabile e programmabile come un materiale da costruzione ideale per strutture su scala nanometrica che potrebbero essere utilizzate per somministrare farmaci, agire come biosensori, eseguire la fotosintesi artificiale e altro ancora.
Cercare di costruire strutture di DNA su larga scala una volta era considerato impensabile. Ma circa cinque anni fa, Il bioingegnere computazionale del Caltech Paul Rothemund ha definito una nuova strategia di progettazione chiamata DNA origami:la costruzione di forme bidimensionali da un filamento di DNA ripiegato su se stesso e fissato da brevi filamenti "fissati". Diversi anni dopo, Il laboratorio di William Shih alla Harvard Medical School ha tradotto questo concetto in tre dimensioni, consentendo la progettazione di complesse strutture curve e piegate che hanno aperto nuove strade per la progettazione biologica sintetica su scala nanometrica.
Uno dei principali ostacoli a questi progetti sempre più complessi è stata l'automazione del processo di progettazione. Ora una squadra al MIT, guidato dall'ingegnere biologico Mark Bathe, ha sviluppato un software che rende più facile prevedere la forma tridimensionale che risulterà da un determinato modello di DNA. Anche se il software non automatizza completamente il processo di progettazione, rende notevolmente più semplice per i progettisti la creazione di strutture 3D complesse, controllando la loro flessibilità e potenzialmente la loro stabilità di piegatura.
“In definitiva, cerchiamo uno strumento di progettazione in cui è possibile iniziare con un'immagine della complessa forma tridimensionale di interesse, e l'algoritmo cerca le combinazioni di sequenze ottimali, "dice il bagno, il Samuel A. Goldblith Assistant Professor di Biologia Applicata. “Al fine di rendere disponibile questa tecnologia per il nanoassemblaggio alla comunità più ampia, compresi i biologi, chimici, e scienziati dei materiali senza esperienza nella tecnica dell'origami del DNA:lo strumento di calcolo deve essere completamente automatizzato, con un minimo di input o intervento umano”.
Bathe e i suoi colleghi hanno descritto il loro nuovo software nel numero del 25 febbraio di Metodi della natura . In quel foglio, forniscono anche un primer sulla creazione di origami del DNA con il collaboratore Hendrik Dietz presso la Technische Universitaet Muenchen. “Un collo di bottiglia per rendere la tecnologia più ampiamente utile è che solo un piccolo gruppo di ricercatori specializzati è addestrato nella progettazione di origami di DNA a scaffold, "Dice il bagno.
Programmazione DNA
Il DNA è costituito da una stringa di quattro basi nucleotidiche note come A, T, G e C, che rendono la molecola facile da programmare. Secondo le regole della natura, A si lega solo con T, e G solo con C. “Con DNA, su piccola scala, puoi programmare queste sequenze per autoassemblarsi e piegarsi in una struttura finale molto specifica, con fili separati uniti per creare oggetti di più grande scala, "Dice il bagno.
La strategia di progettazione degli origami di Rothemund si basa sull'idea di piegare un lungo filamento di DNA in due dimensioni, come posato su una superficie piana. Nel suo primo articolo che delinea il metodo, ha usato un genoma virale composto da circa 8, 000 nucleotidi per creare stelle 2-D, triangoli e faccine sorridenti.
Quel singolo filamento di DNA funge da "impalcatura" per il resto della struttura. Centinaia di fili più corti, ciascuno di circa 20 a 40 basi di lunghezza, unire con il patibolo per tenerlo nella sua finale, forma piegata.
“Il DNA è per molti versi più adatto all'autoassemblaggio rispetto alle proteine, le cui proprietà fisiche sono difficili da controllare e sensibili al loro ambiente, "Dice il bagno.
Il nuovo programma software di Bathe si interfaccia con un programma software del laboratorio di Shih chiamato caDNAno, che consente agli utenti di creare manualmente origami DNA impalcati da un layout bidimensionale. Il nuovo programma, soprannominato CanDo, prende il progetto 2-D di caDNAno e prevede la forma 3-D definitiva del design. Questa forma risultante è spesso poco intuitiva, fare il bagno dice, perché il DNA è un oggetto flessibile che si attorciglia, si piega e si allunga mentre si piega per formare una forma 3D complessa.
Secondo Rothemund, il programma CanDo dovrebbe consentire ai progettisti di origami del DNA di testare più a fondo le loro strutture di DNA e modificarle per piegarle correttamente. “Mentre siamo stati in grado di disegnare la forma delle cose, non abbiamo avuto strumenti per progettare e analizzare facilmente le sollecitazioni e le deformazioni in quelle forme o per progettarle per scopi specifici, "dice.
A livello molecolare, lo stress nella doppia elica del DNA diminuisce la stabilità del ripiegamento della struttura e introduce difetti locali, entrambi i quali hanno ostacolato i progressi nel campo degli origami del DNA a scaffold.
Il ricercatore post-dottorato Do-Nyun Kim e lo studente laureato Matthew Adendorff, entrambi del Bathe lab, stanno ora promuovendo le capacità di CanDo e ottimizzando il processo di progettazione di origami del DNA a scaffold.
Costruire strumenti su scala nanometrica
Una volta che gli scienziati avranno un modo affidabile per assemblare le strutture del DNA, la prossima domanda è cosa fare con loro. Un'applicazione di cui gli scienziati sono entusiasti è un "portatore di DNA" in grado di trasportare farmaci verso destinazioni specifiche nel corpo come tumori, dove il vettore rilascerebbe il carico in base a un segnale chimico specifico dalla cellula tumorale bersaglio.
Un'altra possibile applicazione degli origami di DNA a scaffold potrebbe aiutare a riprodurre parte dell'apparato di raccolta della luce delle cellule vegetali fotosintetiche. I ricercatori sperano di ricreare quella serie complessa di circa 20 subunità proteiche, ma per farlo, componenti devono essere tenuti insieme in posizioni e orientamenti specifici. È qui che potrebbe entrare in gioco l'origami del DNA.
“L'origami del DNA consente la costruzione su scala nanometrica di disposizioni architettoniche molto precise. I ricercatori stanno sfruttando questa proprietà unica per perseguire una serie di applicazioni su scala nanometrica, inclusa una fotocellula sintetica, "Dice il bagno. "Mentre applicazioni come questa sono ancora piuttosto lontane all'orizzonte, crediamo che gli strumenti software di ingegneria predittiva siano essenziali per progredire in questa direzione”.
Nuove domande potrebbero anche nascere da un nuovo concorso che si terrà ad Harvard quest'estate, chiamato BIOMOD. Squadre universitarie di una dozzina di scuole, compreso il MIT, Harvard e Caltech, proverà a progettare biomolecole su nanoscala per la robotica, informatica e altre applicazioni.
Intanto, Bathe si sta concentrando sull'ulteriore sviluppo di CanDo per consentire la progettazione automatizzata di origami del DNA. “Una volta che hai uno strumento di calcolo automatizzato che ti consente di progettare forme complesse in modo preciso, Penso che siamo in una posizione molto migliore per sfruttare questa tecnologia per applicazioni interessanti, "dice.
Affinché gli origami del DNA abbiano un ampio impatto, deve diventare una routine ordinare semplicemente parti di DNA per costruire qualsiasi configurazione tu possa immaginare, dice il bagno. Egli osserva:“Una volta che i non specialisti possono progettare nanostrutture 3D arbitrarie usando origami di DNA, la loro immaginazione può essere libera".
