(Phys.org) —Attaccando brevi sequenze di DNA a singolo filamento a blocchi di costruzione su nanoscala, i ricercatori possono progettare strutture che possono autocostruirsi efficacemente. I mattoni che sono destinati a connettersi hanno sequenze di DNA complementari sulla loro superficie, assicurandosi che solo i pezzi corretti si leghino insieme mentre si spingono l'uno nell'altro mentre sono sospesi in una provetta.

Ora, un team dell'Università della Pennsylvania ha fatto una scoperta con implicazioni per tutte queste strutture autoassemblate.

Lavori precedenti presumevano che il mezzo liquido in cui galleggiano questi pezzi ricoperti di DNA potesse essere trattato come un placido vuoto, ma il team Penn ha dimostrato che la fluidodinamica gioca un ruolo cruciale nel tipo e nella qualità delle strutture che possono essere realizzate in questo modo.

Mentre i pezzi ricoperti di DNA si riorganizzano e si legano, creano scie in cui possono fluire altri pezzi. Questo fenomeno rende più probabile la formazione di alcuni modelli all'interno delle strutture rispetto ad altri.

La ricerca è stata condotta dai professori Talid Sinno e John Crocker, insieme agli studenti laureati Ian Jenkins, Marie Casey e James McGinley, tutto il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare della Penn's School of Engineering and Applied Science.

È stato pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

La scoperta del team di Penn è iniziata con un'osservazione insolita su uno dei loro studi precedenti, che si occupava di una struttura cristallina riconfigurabile che il team aveva realizzato utilizzando sfere di plastica rivestite di DNA, ciascuno largo 400 nanometri. Queste strutture inizialmente si assemblano in cristalli flosci con motivi a forma quadrata, ma, in un processo simile all'acciaio da trattamento termico, i loro modelli possono essere persuasi in più stabili, configurazioni triangolari.

Sorprendentemente, le strutture che stavano realizzando in laboratorio erano migliori di quelle previste dalle loro simulazioni al computer. I cristalli simulati erano pieni di difetti, luoghi in cui il modello cristallino delle sfere è stato interrotto, ma i cristalli cresciuti sperimentalmente erano tutti perfettamente allineati.

Mentre questi cristalli perfetti erano un segno positivo che la tecnica poteva essere ampliata per costruire diversi tipi di strutture, il fatto che le loro simulazioni fossero evidentemente errate indicava un grosso ostacolo.

"Quello che vedi in un esperimento, "Sinno ha detto, "di solito è una versione più sporca di ciò che vedi nella simulazione. Dobbiamo capire perché questi strumenti di simulazione non funzionano se vogliamo costruire cose utili con questa tecnologia, e questo risultato è stata la prova che non abbiamo ancora compreso appieno questo sistema. Non è solo un dettaglio della simulazione che mancava; c'è un meccanismo fisico fondamentale che non includiamo".

Per processo di eliminazione, il meccanismo fisico mancante si è rivelato essere effetti idrodinamici, essenzialmente, l'interazione tra le particelle e il fluido in cui sono sospese durante la crescita. La simulazione dell'idrodinamica di un sistema è critica quando il fluido scorre, come come le rocce sono modellate da un fiume impetuoso, ma è stato considerato irrilevante quando il fluido è fermo, come era negli esperimenti dei ricercatori. Mentre l'urto delle particelle perturba il mezzo, il sistema rimane in equilibrio, suggerendo che l'effetto complessivo è trascurabile.

"La saggezza convenzionale, "Crocker ha detto, "era che non è necessario considerare gli effetti idrodinamici in questi sistemi. Aggiungerli alle simulazioni è computazionalmente costoso, e ci sono vari tipi di prove che questi effetti non cambiano l'energia del sistema. Da lì puoi fare un salto a dire, 'Non ho bisogno di preoccuparmi affatto di loro.'"

I sistemi di particelle come quelli realizzati da queste sfere ricoperte di DNA autoassemblanti in genere si riorganizzano fino a raggiungere lo stato energetico più basso. Una caratteristica insolita del sistema dei ricercatori è che ci sono migliaia di configurazioni finali, la maggior parte contenenti difetti, che sono energeticamente favorevoli quanto quella perfetta che hanno prodotto nell'esperimento.

"È come se fossi in una stanza con mille porte, " disse Crocker. "Ognuna di quelle porte ti porta in una struttura diversa, solo uno dei quali è il cristallo con motivo rame-oro che otteniamo effettivamente. Senza l'idrodinamica, è altrettanto probabile che la simulazione ti spedisca attraverso una di quelle porte."

La svolta dei ricercatori è arrivata quando si sono resi conto che mentre gli effetti idrodinamici non avrebbero reso nessuna configurazione finale più favorevole dal punto di vista energetico di un'altra, i diversi modi in cui le particelle avrebbero dovuto riorganizzarsi per raggiungere quegli stati non erano tutti ugualmente facili. criticamente, è più facile per una particella fare un certo riarrangiamento se segue la scia di un'altra particella che fa le stesse mosse.

"È come scivolare via, " disse Crocker. "Il modo in cui le particelle si muovono insieme, è come se fossero un banco di pesci".

"Il modo in cui vai determina ciò che ottieni, "Sinno ha detto. "Ci sono alcuni percorsi che hanno molta più scia di altri, e i percorsi che hanno molto corrispondono alle configurazioni finali che abbiamo osservato nell'esperimento".

I ricercatori ritengono che questa scoperta getterà le basi per il lavoro futuro con questi elementi costitutivi rivestiti di DNA, ma il principio scoperto nel loro studio probabilmente reggerà in altre situazioni in cui le particelle microscopiche sono sospese in un mezzo liquido.

"Se la scia è importante qui, è probabile che sia importante in altri assemblaggi di particelle, " Ha detto Sinno. Non si tratta solo di queste particelle legate al DNA; si tratta di qualsiasi sistema in cui hai particelle di questa scala di dimensioni. Per capire davvero cosa ottieni, è necessario includere l'idrodinamica."