Il DNA ha attirato l'attenzione per il suo potenziale come piattaforma materiale programmabile che potrebbe generare interi nanodispositivi nuovi e rivoluzionari nell'informatica, microscopia, biologia, e altro ancora. I ricercatori hanno lavorato per padroneggiare la capacità di convincere le molecole di DNA ad autoassemblarsi nelle forme e dimensioni precise necessarie per realizzare pienamente questi sogni di nanotecnologia.

Negli ultimi 20 anni, gli scienziati hanno cercato di progettare grandi cristalli di DNA con una profondità prescritta con precisione e caratteristiche complesse:una ricerca progettuale appena compiuta da un team del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard. Il team ha costruito 32 cristalli di DNA con una profondità definita con precisione e un assortimento di sofisticate caratteristiche tridimensionali (3D), un anticipo segnalato in Chimica della natura .

Il team ha utilizzato il metodo di "autoassemblaggio del DNA-brick", che è stato presentato per la prima volta nel 2012 Scienza pubblicazione quando hanno creato più di 100 nanostrutture complesse 3D delle dimensioni di virus. Le strutture cristalline periodiche appena raggiunte sono più di 1000 volte più grandi di quelle strutture discrete in mattoni di DNA, misurando più vicino a un granello di polvere, che è in realtà abbastanza grande nel mondo della nanotecnologia del DNA.

"Siamo molto lieti che il nostro approccio al DNA brick abbia risolto questa sfida, " ha affermato Peng Yin, autore senior e membro della facoltà di base del Wyss Institute, dottorato di ricerca, che è anche professore associato di biologia dei sistemi presso la Harvard Medical School, "e siamo rimasti davvero sorpresi da quanto bene funzioni."

Gli scienziati hanno lottato per cristallizzare complesse nanostrutture di DNA 3D utilizzando metodi di autoassemblaggio più convenzionali. Il rischio di errore tende ad aumentare con la complessità delle unità ripetitive strutturali e la dimensione del cristallo di DNA da assemblare.

Il metodo del DNA brick utilizza brevi, filamenti sintetici di DNA che funzionano come mattoncini Lego® ad incastro per costruire strutture complesse. Le strutture vengono prima progettate utilizzando un modello computerizzato di un cubo molecolare, che diventa una tela maestra. Ogni mattone viene aggiunto o rimosso indipendentemente dalla tela master 3D per arrivare alla forma desiderata - e quindi il design viene messo in atto:i filamenti di DNA che combaciano per ottenere la struttura desiderata vengono mescolati insieme e si autoassemblano per ottenere il design strutture cristalline.

"Qui sta la caratteristica distintiva chiave della nostra strategia di design:la sua modularità, ", ha detto il co-autore Yonggang Ke, dottorato di ricerca, precedentemente un postdoctoral Fellow del Wyss Institute e ora un assistente professore presso il Georgia Institute of Technology e l'Emory University. "La possibilità di aggiungere o rimuovere semplicemente pezzi dalla tela principale semplifica la creazione di qualsiasi progetto."

La modularità rende anche relativamente facile definire con precisione la profondità del cristallo. "Questa è la prima volta che qualcuno ha dimostrato la capacità di progettare razionalmente la profondità del cristallo con una precisione nanometrica, fino a 80 nm in questo studio, " disse Ke. Al contrario, i precedenti reticoli di DNA bidimensionali sono tipicamente strutture a strato singolo con una profondità di soli 2 nm.

"I cristalli di DNA sono attraenti per le applicazioni delle nanotecnologie perché sono composti da unità strutturali ripetute che forniscono un modello ideale per caratteristiche di progettazione scalabili", ha detto il co-autore principale studente laureato Luvena Ong.

Per di più, come parte di questo studio, il team ha dimostrato la capacità di posizionare nanoparticelle d'oro in architetture 2D prescritte a meno di due nanometri di distanza l'una dall'altra lungo la struttura cristallina:una caratteristica fondamentale per i futuri dispositivi quantistici e un significativo progresso tecnico per la loro produzione scalabile, ha detto il co-autore Wei Sun, dottorato di ricerca, borsista post-dottorato del Wyss Institute.

"Le mie nozioni preconcette sui limiti del DNA sono state costantemente infrante dai nostri nuovi progressi nella nanotecnologia del DNA, " ha detto William Shih, dottorato di ricerca, che è coautore dello studio e membro della facoltà del Wyss Institute Founding Core, nonché Professore Associato presso il Dipartimento di Chimica Biologica e Farmacologia Molecolare presso la Harvard Medical School e il Dipartimento di Biologia del Cancro presso il Dana-Farber Cancer Institute. "La nanotecnologia del DNA ora ci consente di assemblare, in modo programmabile, strutture prescritte che rivaleggiano con la complessità di molte macchine molecolari che vediamo in Natura".

"Il team di Peng sta utilizzando il metodo di autoassemblaggio del DNA-brick per gettare le basi per il nuovo panorama della nanotecnologia del DNA a un ritmo impressionante, ", ha affermato il direttore fondatore del Wyss Institute Don Ingber, M.D., dottorato di ricerca "Quelle che sono state semplici visioni di come la molecola del DNA potrebbe essere utilizzata per far progredire tutto, dall'industria dei semiconduttori alla biofisica, stanno rapidamente diventando realtà".