Sono stati abbattuti due importanti ostacoli al progresso della nanotecnologia del DNA oltre il laboratorio di ricerca. Questa tecnologia emergente utilizza il DNA come materiale da costruzione programmabile per autoassemblanti, strutture su scala nanometrica. Sono state previste molte applicazioni pratiche, e i ricercatori hanno recentemente dimostrato un canale di membrana sintetico costituito da DNA. Fino ad ora, però, i processi di progettazione erano ostacolati dalla mancanza di feedback strutturale. Il montaggio è stato lento e spesso di scarsa qualità. Ora i ricercatori guidati dal Prof. Hendrik Dietz della Technische Universitaet Muenchen (TUM) hanno rimosso questi ostacoli.

Una barriera che tratteneva il campo era un'ipotesi non dimostrata. I ricercatori sono stati in grado di progettare un'ampia varietà di oggetti discreti e specificare esattamente come i filamenti di DNA dovrebbero unire e piegarsi nelle forme desiderate. Potrebbero dimostrare che le nanostrutture risultanti corrispondevano strettamente ai progetti. Manca ancora, anche se, è stata la convalida del presunto controllo posizionale su scala subnanometrica. Ciò è stato confermato per la prima volta attraverso l'analisi di un oggetto di prova progettato appositamente per lo scopo. Una svolta tecnica basata sui progressi nella comprensione fondamentale, questa dimostrazione ha fornito un controllo cruciale della realtà per la nanotecnologia del DNA.

In una serie separata di esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che il tempo necessario per creare un lotto di oggetti complessi basati sul DNA può essere ridotto da una settimana a pochi minuti, e che la resa può essere quasi del 100%. Hanno mostrato per la prima volta che a temperatura costante, centinaia di filamenti di DNA possono piegarsi in modo cooperativo per formare un oggetto, correttamente, come progettato, in pochi minuti. Sorprendentemente, dicono, il processo è simile al ripiegamento delle proteine, nonostante significative differenze chimiche e strutturali. "Vedendo questa combinazione di piegatura rapida e alta resa, "Dietz dice, "abbiamo la sensazione più forte che mai che la nanotecnologia del DNA potrebbe portare a un nuovo tipo di produzione, con una pubblicità, anche il futuro industriale." E i benefici sono immediati, aggiunge:"Ora non dobbiamo aspettare una settimana per avere un feedback su un progetto sperimentale, e i processi di assemblaggio in più fasi sono diventati improvvisamente molto più pratici."

Controllo atomicamente preciso

Per testare l'ipotesi che oggetti di DNA discreti possano essere assemblati come progettato con precisione subnanometrica, I biofisici TUM hanno collaborato con scienziati del Laboratorio MRC di Biologia Molecolare a Cambridge, UK. Hanno prodotto un relativamente grande, struttura tridimensionale basata sul DNA, asimmetrico per aiutare a determinare l'orientamento, e incorporando motivi di design distintivi.

L'imaging a risoluzione subnanometrica con microscopia elettronica a bassa temperatura ha permesso ai ricercatori di mappare l'oggetto, che comprende più di 460, 000 atomi, con dettagli su scala subnanometrica. Poiché l'oggetto incorpora, in effetti, un'intera libreria di diversi elementi di design, servirà anche come risorsa per ulteriori studi. I risultati, segnalato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , non solo dimostrare un assemblaggio atomicamente preciso, ma mostrano anche che tali strutture, precedentemente pensato per essere gelatinoso e flessibile, sono sufficientemente rigidi da essere sondati al microscopio elettronico.

Elaborazione veloce, rendimenti vicini al 100%

In contrasto, Oggetti di DNA con 19 diversi design, tra cui piatti, simile a un ingranaggio, e forme simili a mattoni - sono stati utilizzati per una seconda serie di esperimenti al TUM, riportato nell'ultimo numero di Scienza . Qui l'attenzione principale dei ricercatori era sulla dinamica del ripiegamento e dispiegamento del DNA. Il consueto processo di autoassemblaggio è spesso descritto come una "reazione one-pot":filamenti di DNA che fungeranno da stampo, Istruzioni, e materiale da costruzione per un oggetto progettato sono posti insieme a una temperatura relativamente alta dove rimarranno separati; la temperatura si abbassa gradualmente, e da qualche parte lungo la linea i filamenti di DNA si uniscono per formare le strutture desiderate.

Osservando questo processo con un dettaglio senza precedenti, i ricercatori TUM hanno scoperto che tutta l'azione si svolge entro un intervallo di temperatura specifico e relativamente ristretto, che differisce a seconda del design dell'oggetto. Un'implicazione pratica è che, una volta determinata la temperatura ottimale per un dato progetto, Autoassemblaggio del DNA – nanoproduzione, in sostanza – potrebbe essere realizzato attraverso processi veloci a temperature costanti. Seguendo questa pista, i ricercatori hanno scoperto che potevano "produrre in serie" oggetti fatti da centinaia di filamenti di DNA in pochi minuti invece che in giorni, con quasi nessun oggetto difettoso o sottoprodotti nel lotto risultante.

"Oltre a dirci che oggetti di DNA complessi sono fabbricabili, "Dietz dice, "questi risultati suggeriscono qualcosa che difficilmente osavamo immaginare prima:che potrebbe essere possibile assemblare nanodispositivi di DNA in una coltura cellulare o anche all'interno di una cellula vivente".

Dal punto di vista della biologia fondamentale, il risultato più intrigante di questi esperimenti potrebbe essere la scoperta che il ripiegamento del DNA assomiglia al ripiegamento delle proteine ​​più del previsto. Chimicamente e strutturalmente, le due famiglie di biomolecole sono abbastanza differenti. Ma i ricercatori hanno osservato passaggi "cooperativi" chiaramente definiti nella piegatura di oggetti di DNA complessi, non è diverso in linea di principio dai meccanismi all'opera nel ripiegamento delle proteine. Essi ipotizzano che ulteriori esperimenti con l'autoassemblaggio di oggetti di DNA progettati potrebbero aiutare a svelare i misteri del ripiegamento delle proteine, che è più complesso e meno accessibile allo studio diretto.