Scienziati di tutto il mondo stanno usando la programmabilità del DNA per assemblare complesse strutture su scala nanometrica. Fino ad ora, però, la produzione di queste strutture artificiali è stata limitata ad ambienti a base d'acqua, perché il DNA funziona naturalmente all'interno dell'ambiente acquoso delle cellule viventi.

I ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno ora dimostrato di poter assemblare nanostrutture di DNA in un solvente che non contiene acqua. Hanno anche scoperto che l'aggiunta di una piccola quantità di acqua al loro solvente aumenta la velocità di assemblaggio e fornisce un nuovo mezzo per controllare il processo. Il solvente può anche facilitare la produzione di strutture più complesse riducendo il problema dell'intrappolamento del DNA in strutture indesiderate.

La ricerca potrebbe aprire nuove applicazioni per la nanotecnologia del DNA, e contribuire ad applicare la tecnologia del DNA alla fabbricazione di semiconduttori su scala nanometrica e strutture plasmoniche. Sponsorizzato dalla National Science Foundation e dalla NASA, la ricerca sarà pubblicata come storia di copertina nel Volume 54, Numero 23 della rivista Angewandte Chemie Edizione Internazionale .

"Le strutture delle nanotecnologie del DNA stanno diventando sempre più complesse, e questo solvente potrebbe aiutare i ricercatori che lavorano in questo campo in crescita, " ha detto Nicholas Hud, un professore alla Scuola di Chimica e Biochimica della Georgia Tech. "Con questo lavoro, abbiamo dimostrato che le nanostrutture di DNA possono essere assemblate in un solvente privo di acqua, e che possiamo mescolare l'acqua con lo stesso solvente per velocizzare l'assemblaggio. Possiamo anche prendere le strutture che sono state assemblate in questo solvente mescolato con acqua - rimuovere l'acqua applicando il vuoto - e lasciare che le strutture del DNA rimangano intatte nel solvente privo di acqua".

La velocità di assemblaggio delle nanostrutture di DNA può essere molto lenta, e dipende fortemente dalla temperatura. L'aumento della temperatura aumenta questa velocità, ma temperature troppo alte possono far crollare le strutture del DNA. Il sistema a solvente sviluppato alla Georgia Tech aggiunge un nuovo livello di controllo sull'assemblaggio del DNA. Le strutture del DNA si assemblano a temperature più basse in questo solvente, e l'aggiunta di acqua può regolare la viscosità del solvente, che consente un montaggio più rapido rispetto alla versione senza acqua del solvente.

"Questo solvente cambia le regole, " disse Isaac Gallego, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Hud e il primo autore dell'articolo. "Ora disponiamo di uno strumento che controlla la cinetica e la termodinamica dell'assemblaggio del DNA in un unico solvente. Questo solvente offre anche proprietà migliorate per la nanotecnologia e per la stabilità di questi nanomateriali in soluzione".

Gállego aveva lavorato nella nanotecnologia del DNA prima di venire alla Georgia Tech, ed era convinto che i solventi alternativi potessero far avanzare questo campo. Alla Georgia Tech ha valutato nuovi solventi da utilizzare con nanostrutture di DNA, solventi che erano stati progettati per altri scopi. Un solvente ha testato, chiamata glicolina che è una miscela di glicerolo e cloruro di colina, ha permesso a una struttura di origami di DNA bidimensionale di assemblarsi in sei giorni a una temperatura di 20 gradi Celsius.

Non solo la glicolina ha assemblato la struttura del DNA a una temperatura relativamente bassa, ma ha anche evitato "trappole cinetiche, " strutture intermedie stabili, ma non la struttura desiderata, ha detto Gallego. Le strutture che non riescono ad assemblarsi completamente sono una delle principali fonti di bassi rendimenti nel processo di nanofabbricazione del DNA.

"Questo solvente potrebbe fornire un nuovo strumento per realizzare progetti più complicati con il DNA perché è possibile evitare di intrappolare queste strutture complesse in passaggi intermedi, " ha aggiunto. "Le trappole cinetiche sono tra i colli di bottiglia per la produzione di nanostrutture di DNA più complicate".

La glicolina è miscibile in acqua, quindi può essere miscelato in qualsiasi rapporto con acqua per controllare la cinetica del processo di assemblaggio. Ad esempio, una struttura che si assembla in sei giorni in solvente puro si assembla in tre ore in una soluzione di glicolina contenente il 10% di acqua. Una caratteristica fondamentale del nuovo sistema di solventi è che non richiede modifiche ai progetti di nanotecnologia del DNA esistenti che sono stati sviluppati per l'acqua.

"Puoi andare avanti e indietro tra stati idratati e non idratati, " ha detto Gállego. "Questo sistema a solvente preserva le strutture del DNA che sono state sviluppate per funzionare in acqua".

Il sistema a solvente potrebbe migliorare l'uso combinato di nanoparticelle metalliche e materiali a base di DNA. Nei tipici solventi acquosi in cui viene eseguita la nanotecnologia del DNA, le nanoparticelle sono soggette ad aggregazione. La bassa volatilità del solvente potrebbe anche consentire la conservazione di strutture di DNA assemblate senza la preoccupazione che un mezzo a base d'acqua si asciughi.

Il gruppo di ricerca, che includeva anche Martha Grover della School of Chemical &Biomolecular Engineering della Georgia Tech, ha finora utilizzato il solvente per assemblare tre strutture, comprese due strutture di origami di DNA. Nel lavoro futuro, sperano di utilizzare il controllo fornito da solventi privi di acqua per ottenere riarrangiamenti strutturali dinamici del DNA che non sono possibili in acqua, e studiare altri solventi che potrebbero avere proprietà aggiuntive interessanti per le applicazioni delle nanotecnologie.

"Siamo sempre stati fiduciosi che avremmo trovato un solvente compatibile con la nanotecnologia del DNA esistente, " ha aggiunto Hud, che è anche direttore del NSF-NASA Center for Chemical Evolution e direttore associato del Parker H. Petit Institute of Bioengineering and Bioscience, entrambi alla Georgia Tech. "Ciò che è stato sorprendente è stato trovare un solvente che consente l'assemblaggio di strutture più facilmente rispetto all'acqua. È stato completamente inaspettato perché la nanotecnologia del DNA è stata sviluppata in acqua".

La ricerca sui solventi senza acqua è nata dalla ricerca della Georgia Tech sulle origini della vita. Hud e colleghi si erano chiesti se le molecole necessarie alla vita, come l'antenato del DNA, avrebbe potuto svilupparsi in una soluzione priva di acqua. In alcuni casi, ha notato, la chimica necessaria per creare le molecole della vita sarebbe molto più facile senza la presenza dell'acqua.

"Questo lavoro è stato ispirato dalla ricerca sulle origini della vita con la domanda fondamentale se strutture complesse del DNA potessero esistere in solventi non acquosi, e abbiamo dimostrato che possono, " ha detto Hud. "E quello che abbiamo scoperto lavorando con questi nuovi solventi potrebbe aiutare a rispondere ad alcune domande sulle origini della vita, pur avendo anche applicazioni in nanotecnologia."