In una nuova scoperta che rappresenta un passo importante nella soluzione di una sfida progettuale critica, Il professor Hao Yan dell'Arizona State University ha guidato un team di ricerca per produrre un'ampia varietà di strutture 2-D e 3-D che spingono i confini del fiorente campo della nanotecnologia del DNA.

Il campo della nanotecnologia del DNA utilizza le regole di progettazione della natura e le proprietà chimiche del DNA per autoassemblarsi in un serraglio sempre più complesso di molecole per applicazioni biomediche ed elettroniche. Alcune delle realizzazioni del laboratorio Yan includono la costruzione di strutture simili a cavalli di Troia per migliorare la somministrazione di farmaci alle cellule cancerose, nanofili d'oro elettricamente conduttivi, sensori a singola molecola e robot molecolari programmabili.

Con le loro opere architettoniche di ispirazione bio, il gruppo continua ad esplorare i limiti geometrici e fisici della costruzione a livello molecolare.

"Le persone in questo campo sono molto interessate alla realizzazione di strutture metalliche o reticolari, " ha detto Yan. "Avevamo bisogno di elaborare nuovi principi di progettazione che ci permettessero di costruire con maggiore complessità in tre dimensioni".

Nella loro ultima svolta alla tecnologia, Il team di Yan ha realizzato nuovi oggetti 2-D e 3-D che assomigliano ad arte wireframe di sfere e pinzette molecolari, forbici, una vite, ventaglio, e persino una ragnatela.

Il laboratorio Yan, che include i colleghi dell'ASU Biodesign Institute Dongran Han, Suchetan amico, Shuoxing Jiang, Jeanette Nangreave e l'assistente professore Yan Liu, hanno pubblicato i loro risultati nel numero del 22 marzo di Scienza .

La svolta nel loro 'basso verso l'alto, La strategia di progettazione molecolare di Lego si concentra su una struttura del DNA chiamata giunzione Holliday. In natura, questo a forma di croce, la struttura del DNA a doppio stack è come la fermata del traffico a 4 vie della genetica - dove 2 temporalità separate di eliche di DNA si incontrano per scambiare informazioni genetiche. L'incrocio di Holliday è il crocevia responsabile della diversità della vita sulla Terra, e assicura che ai bambini venga data una mescolanza unica di tratti dal DNA di una madre e di un padre.

In natura, la giunzione Holliday attorciglia i filamenti di DNA a doppio strato con un angolo di circa 60 gradi, che è perfetto per lo scambio di geni ma a volte frustrante per gli scienziati della nanotecnologia del DNA, perché limita le regole di progettazione delle loro strutture.

"In linea di principio, puoi usare l'impalcatura per collegare più livelli orizzontalmente, " [che molti team di ricerca hanno utilizzato dallo sviluppo dell'origami del DNA da parte di Paul Rothemund di Cal Tech nel 2006]. Tuttavia, quando vai in direzione verticale, la polarità del DNA ti impedisce di creare più strati, " ha detto Yan. "Quello che dovevamo fare è ruotare l'angolo e forzarlo a connettersi."

Realizzare le nuove strutture che Yan ha immaginato ha richiesto la riprogettazione dell'incrocio di Holliday capovolgendo e ruotando attorno al punto di incrocio di circa mezzo quadrante di orologio, o 150 gradi. Tale impresa non è stata considerata nei progetti esistenti.

"L'idea iniziale è stata la parte più difficile, " ha detto Yan. "La tua mente non vede sempre le possibilità così te ne dimentichi. Abbiamo dovuto rompere la barriera concettuale che questo potesse accadere".

Nel nuovo studio, variando la lunghezza del DNA tra ciascuna giunzione Holliday, potrebbero forzare la geometria alle giunzioni di Holliday in un riarrangiamento non convenzionale, rendendo le giunzioni più flessibili da realizzare per la prima volta nella dimensione verticale. Yan chiama la struttura a forma di griglia del barbecue del cortile un DNA Gridiron.

"Siamo rimasti stupiti che abbia funzionato!" disse Yan. "Una volta che abbiamo visto che funzionava davvero, è stato relativamente facile implementare nuovi progetti. Ora sembra facile col senno di poi. Se la tua mentalità è limitata dalle regole convenzionali, è davvero difficile fare il passo successivo. Una volta fatto questo passo, diventa così ovvio."

I disegni DNA Gridiron sono programmati in un DNA virale, dove un singolo filamento di DNA a forma di spaghetti viene sputato e piegato insieme con l'aiuto di piccoli filamenti di DNA "fiocco" che aiutano a modellare la struttura finale del DNA. In una provetta, la miscela è riscaldata, poi rapidamente raffreddato, e il tutto si autoassembla e si modella nella forma finale una volta raffreddato. Prossimo, utilizzando sofisticate tecnologie di imaging AFM e TEM, sono in grado di esaminare le forme e le dimensioni dei prodotti finali e determinare che si sono formati correttamente.

Questo approccio ha permesso loro di costruire multistrato, Strutture 3D e oggetti curvi per nuove applicazioni.

"La maggior parte del nostro team di ricerca è ora dedicato alla ricerca di nuove applicazioni per questo toolkit di base che stiamo realizzando, " ha detto Yan. "C'è ancora molta strada da fare e molte nuove idee da esplorare. Dobbiamo solo continuare a parlare con i biologi, fisici e ingegneri per comprendere e soddisfare le loro esigenze."