Gli ultimi nanodispositivi a DNA creati presso la Technische Universitaet Muenchen (TUM), tra cui un robot con bracci mobili, un libro che si apre e si chiude, una marcia commutabile, e un attuatore, possono essere intriganti di per sé, ma non è questo il punto. Dimostrano una svolta nella scienza dell'uso del DNA come materiale da costruzione programmabile per strutture e macchine su scala nanometrica. Risultati pubblicati sulla rivista Scienza rivelano un nuovo approccio per unire - e riconfigurare - unità di costruzione 3D modulari, agganciando insieme forme complementari invece di unire stringhe di coppie di basi. Questo non solo apre la strada a pratiche nanomacchine con parti mobili, ma offre anche un toolkit che facilita la programmazione del loro autoassemblaggio.

Il campo popolarmente noto come "DNA origami, " in riferimento alla tradizionale arte giapponese di piegare la carta, sta avanzando rapidamente verso applicazioni pratiche, secondo TUM Prof. Hendrik Dietz. All'inizio di questo mese, Dietz è stato insignito del premio di ricerca più importante della Germania, il Premio Gottfried Wilhelm Leibniz, per il suo ruolo in questo progresso.

Negli ultimi anni, Dietz e il suo team sono stati responsabili di importanti passi nella direzione delle applicazioni:dispositivi sperimentali tra cui un canale di membrana sintetico costituito da DNA; scoperte che riducono il tempo necessario per i processi di autoassemblaggio da una settimana a poche ore e consentono rese prossime al 100%; prova che si possono assemblare strutture estremamente complesse, come progettato, con precisione subnanometrica.

Eppure tutti questi progressi hanno impiegato "l'accoppiamento di basi" per determinare come i singoli filamenti e gli assemblaggi di DNA si sarebbero uniti agli altri in soluzione. La novità è la "colla".

"Una volta costruita un'unità con coppie di basi, "Dietz spiega, "è difficile da rompere. Quindi le strutture dinamiche realizzate con questo approccio tendevano ad essere strutturalmente semplici". Per abilitare una gamma più ampia di nanomacchine a DNA con parti mobili e capacità potenzialmente utili, il team ha adattato altre due tecniche dal toolkit biomolecolare della natura:il modo in cui le proteine ​​usano la complementarità di forma per semplificare l'aggancio con altre molecole, e la loro tendenza a formare legami relativamente deboli che possono essere facilmente spezzati quando non sono più necessari.

Flessibilità ispirata al biologico

Per gli esperimenti riportati in Scienza , Dietz e i suoi coautori - dottorandi Thomas Gerling e Klaus Wagenbauer, e la studentessa di laurea Andrea Neuner della TUM's Munich School of Engineering - si sono ispirati a un meccanismo che consente alle molecole di acido nucleico di legarsi attraverso interazioni più deboli dell'accoppiamento di basi. In natura, legami deboli possono essere formati quando l'enzima a base di RNA RNasi P "riconosce" il cosiddetto RNA di trasferimento; le molecole sono guidate in un raggio abbastanza vicino, come l'attracco di un'astronave, dalle loro forme complementari.

La nuova tecnologia del laboratorio Dietz imita questo approccio. Per creare una nanomacchina dinamica del DNA, i ricercatori iniziano programmando l'autoassemblaggio di blocchi di costruzione 3D che sono modellati per adattarsi insieme. Un debole, Il meccanismo di legame a corto raggio chiamato impilamento di nucleobase può quindi essere attivato per far scattare queste unità in posizione. Sono disponibili tre diversi metodi per controllare la forma e l'azione dei dispositivi realizzati in questo modo.

"Ciò che questo ci ha dato è una gerarchia a più livelli dei punti di forza dell'interazione, "Dietz dice, "e la capacità di posizionare, proprio dove ne abbiamo bisogno, domini stabili in grado di riconoscere e interagire con partner vincolanti". Il team ha prodotto una serie di dispositivi a DNA - che vanno da filamenti su scala micrometrica che potrebbero prefigurare "flagelli" tecnologici a macchine su scala nanometrica con parti mobili - per dimostrare le possibilità e iniziare a testare i limiti.

Per esempio, micrografie elettroniche a trasmissione di un tridimensionale, robot umanoidi su scala nanometrica confermano che i pezzi si incastrano esattamente come progettato. Inoltre, mostrano come un semplice metodo di controllo - modificando la concentrazione di ioni positivi in ​​soluzione - può passare attivamente tra diverse configurazioni:montato o smontato, con le "braccia" spalancate o appoggiate al fianco del robot.

Un altro metodo per commutare un nanodispositivo a DNA tra i suoi diversi stati strutturali, semplicemente alzando e abbassando la temperatura, si è rivelato particolarmente robusto. Per le generazioni precedenti di dispositivi, ciò ha richiesto la separazione e la riunione delle coppie di basi del DNA, e quindi i sistemi erano "usurati" dalla diluizione e dalle reazioni collaterali dopo pochi cicli di commutazione. Un attuatore a forbice descritto nell'attuale documento ha subito più di mille cicli di commutazione della temperatura in un periodo di quattro giorni senza segni di degrado.

"Il ciclo della temperatura è un modo per immettere energia nel sistema, "Dietz aggiunge, "quindi se la transizione conformazionale reversibile potesse essere accoppiata a un processo in continua evoluzione, fondamentalmente ora abbiamo un modo non solo per costruire nanomacchine, ma anche per alimentarli."

"Uno scatto" - come un gioco da ragazzi

C'è ancora un'altra dimensione nella flessibilità ottenuta aggiungendo componenti complementari alla forma e legami deboli al kit di strumenti per la nanotecnologia del DNA. Programmare l'autoassemblaggio solo tramite l'accoppiamento di basi è come scrivere il codice del computer in linguaggio macchina. La speranza è che questo nuovo approccio renda più facile piegare gli origami del DNA verso fini pratici, allo stesso modo l'avvento di linguaggi di programmazione per computer di livello superiore ha stimolato i progressi nell'ingegneria del software.

Dietz lo paragona alla costruzione con giocattoli per bambini come LEGO:"Progetti i componenti in modo che siano complementari, e basta. Non dovrai più giocherellare con le sequenze di coppie di basi per collegare i componenti."