Spostati, nanotecnologi, e fai spazio al più grande dei piccoli. Gli scienziati del Wyss Institute di Harvard hanno costruito una serie di gabbie di DNA autoassemblanti larghe un decimo quanto un batterio. Le strutture sono alcune delle strutture più grandi e complesse mai costruite esclusivamente dal DNA, riportano l'edizione online di oggi di Scienza .

Inoltre, gli scienziati li hanno visualizzati utilizzando un metodo di microscopia a super risoluzione basato sul DNA e hanno ottenuto le prime immagini ottiche 3D nitide di nanostrutture di DNA sintetiche intatte in soluzione.

Nel futuro, gli scienziati potrebbero potenzialmente rivestire le gabbie del DNA per racchiudere il loro contenuto, confezionare farmaci per la consegna ai tessuti. E, come un armadio capiente, la gabbia potrebbe essere modificata con ganci chimici che potrebbero essere usati per appendere altri componenti come proteine ​​o nanoparticelle d'oro. Questo potrebbe aiutare gli scienziati a costruire una varietà di tecnologie, comprese piccole centrali elettriche, minuscole fabbriche che producono prodotti chimici speciali, o sensori fotonici ad alta sensibilità che diagnosticano la malattia rilevando molecole prodotte da tessuti anormali.

"Vedo possibilità entusiasmanti per questa tecnologia, " disse Peng Yin, dottorato di ricerca, un membro della facoltà principale presso il Wyss Institute e professore assistente di biologia dei sistemi presso la Harvard Medical School, e autore senior del documento.

Costruire con il DNA

Il DNA è meglio conosciuto come custode di informazioni genetiche. Ma gli scienziati nel campo emergente della nanotecnologia del DNA stanno esplorando modi per utilizzarla per costruire strutture minuscole per una varietà di applicazioni. Queste strutture sono programmabili, in quanto gli scienziati possono specificare la sequenza delle lettere, o basi, nel DNA, e quelle sequenze poi determinano la struttura che crea.

Finora la maggior parte dei ricercatori nel campo ha utilizzato un metodo chiamato DNA origami, in cui brevi filamenti di DNA fissano insieme due o tre segmenti separati di un filamento molto più lungo, facendo in modo che quel filo si pieghi in una forma precisa. L'origami del DNA è stato sperimentato in parte dal membro della facoltà del Wyss Institute Core William Shih, dottorato di ricerca, che è anche Professore Associato nel Dipartimento di Chimica Biologica e Farmacologia Molecolare della Harvard Medical School e nel Dipartimento di Biologia del Cancro del Dana-Farber Cancer Institute.

Il team di Yin ha costruito diversi tipi di strutture del DNA, compreso un set modulare di parti chiamate tessere DNA a filamento singolo o mattoncini DNA. Come i mattoncini LEGO®, queste parti possono essere aggiunte o rimosse indipendentemente. A differenza dei mattoncini LEGO®, si autoassemblano spontaneamente.

Ma per alcune applicazioni, gli scienziati potrebbero aver bisogno di costruire strutture di DNA molto più grandi di quelle che chiunque ha costruito finora. Così, da aggiungere al loro toolkit, Il team di Yin ha cercato elementi costitutivi molto più grandi da abbinare.

Sfide ingegneristiche

Yin e i suoi colleghi hanno utilizzato per la prima volta l'origami del DNA per creare blocchi di costruzione extra-grandi a forma di treppiede di un fotografo. Il piano era di progettare quelle gambe del treppiede per attaccarle da un capo all'altro per formare poliedri, oggetti con molte facce piatte che sono essi stessi triangoli, rettangoli, o altri poligoni.

Ma quando Yin e i tre autori principali dell'articolo, Ryosuke Iinuma, un ex Visiting Fellow del Wyss Institute, Yonggang Ke, dottorato di ricerca, un ex Wyss Postdoctoral Fellow che ora è assistente professore di ingegneria biomedica presso il Georgia Institute of Technology e la Emory University, e Ralf Jungman, dottorato di ricerca, un borsista post-dottorato Wyss, costruirono treppiedi più grandi e cercarono di assemblarli in poliedri, le grandi gambe dei treppiedi si allargherebbero e traballerebbero, che impediva loro di creare poliedri.

I ricercatori hanno aggirato questo problema costruendo un montante orizzontale per stabilizzare ogni paio di gambe, proprio come un mobiliere userebbe un pezzo di legno per collegare le gambe di una sedia traballante.

Per incollare le gambe del treppiede da un capo all'altro, hanno approfittato del fatto che i filamenti di DNA corrispondenti si accoppiano e aderiscono l'uno all'altro. Hanno lasciato un'etichetta di DNA appesa a una gamba del treppiede, e un'etichetta corrispondente sulla gamba di un diverso treppiede con cui volevano abbinarlo.

Il team ha programmato il DNA per piegarsi in robusti treppiedi 60 volte più grandi dei precedenti blocchi di DNA simili a treppiedi e 400 volte più grandi dei mattoni del DNA. Quei treppiedi si sono poi autoassemblati in un tipo specifico di poliedro tridimensionale, il tutto in un'unica provetta.

Regolando la lunghezza del montante, costruirono treppiedi che andavano da eretti a gambe divaricate. Treppiedi più eretti formavano poliedri con meno facce e angoli più acuti, come un tetraedro, che ha quattro facce triangolari. Più treppiedi a gambe divaricate formavano poliedri con più facce, come un prisma esagonale, che ha la forma di una forma di formaggio e ha otto facce, including its top and bottom.

In tutto, they created five polyhedra:a tetrahedron, a triangular prism, a cube, a pentagonal prism, and a hexagonal prism.

Ultrasharp snapshots

After building the cages, the scientists visualized them using a DNA-based microscopy method Jungmann had helped developed called DNA-PAINT. In DNA-PAINT, short strands of modified DNA cause points on a structure to blink, and data from the blinking images reveal structures too small to be seen with a conventional light microscope. DNA-PAINT produced ultrasharp snapshots of the researchers' DNA cages – the first 3D snapshots ever of single DNA structures in their native, watery environment.

"Bioengineers interested in advancing the field of nanotechnology need to devise manufacturing methods that build sturdy components in a highly robust manner, and develop self-assembly methods that enable formation of nanoscale devices with defined structures and functions, " said Wyss Institute Founding Director Don Ingber, M.D., dottorato di ricerca "Peng's DNA cages and his methods for visualizing the process in solution represent major advances along this path."