DNA, il fondamento molecolare della vita, ha nuovi assi nella manica. Le quattro basi da cui è composto si incastrano come pezzi di un puzzle e possono essere manipolate artificialmente per costruire forme infinitamente varie in due e tre dimensioni. La tecnica, noto come DNA origami, promette di portare sul mercato microelettronica futuristica e innovazioni biomediche.

Hao Yan, un ricercatore presso il Biodesign Institute dell'Arizona State University, ha lavorato per molti anni per affinare la tecnica. Il suo scopo è quello di comporre nuovi insiemi di regole di progettazione, ampliando notevolmente la gamma di architetture su nanoscala generate dal metodo. In una nuova ricerca, vengono descritte una varietà di nanoforme innovative, ognuno mostra un controllo del design senza precedenti.

Yan è il Distinguished Chair di Milton D. Glick di Chimica e Biochimica e dirige il Centro di Biodesign per la progettazione molecolare e la biomimetica.

Nello studio attuale, sono state create nanoforme complesse che mostrano architetture wireframe arbitrarie, utilizzando un nuovo insieme di regole di progettazione. "Metodi di progettazione precedenti utilizzavano strategie tra cui la disposizione parallela delle eliche del DNA per approssimare forme arbitrarie, ma la precisa messa a punto delle architetture wireframe del DNA che collegano i vertici nello spazio 3D ha richiesto un nuovo approccio, " dice Yan.

Yan è stato a lungo affascinato dalla capacità apparentemente illimitata della natura per l'innovazione del design. Il nuovo studio descrive strutture wireframe di elevata complessità e programmabilità, fabbricato attraverso il controllo preciso della ramificazione e della curvatura, utilizzando nuovi principi organizzativi per i progetti. (I wireframe sono modelli tridimensionali scheletrici rappresentati esclusivamente attraverso linee e vertici.)

Le nanoforme risultanti includono array reticolari simmetrici, strutture quasicristalline, matrici curvilinee, e un semplice schizzo di wire art nella scala di 100 nm, così come oggetti 3D tra cui un cubo camuso con 60 spigoli e 24 vertici e un solido di Archimede riconfigurabile che può essere controllato per effettuare le transizioni dispiegamento e ripiegamento tra 3D e 2D.

La ricerca appare nell'edizione online avanzata della rivista Nanotecnologia della natura .

Nelle precedenti indagini, il gruppo Yan ha creato forme architettoniche sottili su una scala sorprendentemente minuscola, alcuni misurano solo decine di nanometri di diametro, all'incirca il diametro di una particella virale. Questi nano-oggetti includono sfere, spirali, boccette, forme di Mobius, e persino un robot autonomo simile a un ragno in grado di seguire una traccia del DNA preparata.

La tecnica dell'origami del DNA sfrutta le semplici proprietà di accoppiamento delle basi del DNA, una molecola costituita dai quattro nucleotidi Adenina (A), Timina (T) Citosina (C) e (guanina). Le regole del gioco sono semplici:gli A si accoppiano sempre con i T e i C con i G. Usando questo vocabolario abbreviato, vengono costruiti la miriade di piani corporei di tutti gli organismi viventi; sebbene duplicare anche i disegni più semplici della Natura abbia richiesto una grande ingegnosità.

L'idea di base dell'origami del DNA è quella di utilizzare una lunghezza di DNA a singolo filamento come impalcatura per la forma desiderata. L'appaiamento di basi di nucleotidi complementari fa piegare e autoassemblare la forma. Il processo è guidato dall'aggiunta di "fili di fiocco più corti, " che agiscono per aiutare a piegare l'impalcatura e per tenere insieme la struttura risultante. Varie tecnologie di imaging vengono utilizzate per osservare le minuscole strutture, compresa la fluorescenza-, microscopia elettronica e a forza atomica.

Sebbene gli origami del DNA abbiano originariamente prodotto nanoarchitetture di interesse puramente estetico, i perfezionamenti della tecnica hanno aperto la porta a una serie di interessanti applicazioni tra cui gabbie molecolari per l'incapsulamento di molecole, immobilizzazione e catalisi enzimatica, strumenti di rilevamento chimico e biologico, meccanismi di somministrazione dei farmaci, e dispositivi di calcolo molecolare.

La tecnica descritta nel nuovo studio porta questo approccio un passo avanti, consentendo ai ricercatori di superare le restrizioni di simmetria locale, creazione di architetture wireframe con arbitrarietà e complessità di ordine superiore. Qui, ogni segmento di linea e vertice è progettato e controllato individualmente. Il numero di bracci provenienti da ciascun vertice può essere variato da 2 a 10 e possono essere modificati gli angoli precisi tra bracci adiacenti.

Nello studio attuale, il metodo è stato inizialmente applicato alla simmetria, ripetere regolarmente disegni poligonali, compreso esagonale, geometrie di piastrellatura quadrate e triangolari. Tali disegni comuni sono noti come modelli di tassellazione.

Una strategia intelligente che prevedeva una serie di ponti e anelli è stata utilizzata per instradare correttamente il filone dell'impalcatura, permettendogli di attraversare l'intera struttura, toccando tutte le linee del wireframe una volta e solo una volta. Sono stati quindi applicati dei fili in fiocco per completare i disegni.

Nelle fasi successive, i ricercatori hanno creato strutture wireframe più complesse, senza la simmetria traslazionale locale trovata negli schemi di tassellazione. Sono stati realizzati tre di questi modelli, compresa una forma a stella, una tessera Penrose di 5 volte e un modello quasicristallino di 8 volte. (I quasicristalli sono strutture altamente ordinate ma non periodiche. Tali modelli possono riempire continuamente lo spazio disponibile, ma non sono traslazionalmente simmetriche.) Sono state utilizzate anche strutture ad anello inserite in filamenti di graffette e nucleotidi spaiati nei punti dei vertici dei filamenti di scaffold, consentendo ai ricercatori di eseguire modifiche di precisione agli angoli dei bracci di giunzione.

Le nuove regole di progettazione sono state poi testate con l'assemblaggio di nanostrutture sempre più complesse, coinvolgendo vertici che vanno da 2 a 10 braccia, con molti angoli e curvature differenti coinvolti, compreso un modello complesso di uccelli e fiori. L'accuratezza del disegno è stata successivamente confermata dall'imaging AFM, dimostrando che il metodo potrebbe produrre con successo nanostrutture di DNA wireframe altamente sofisticate.

Il metodo è stato quindi adattato per produrre anche una serie di strutture 3D, compreso un cubottaedro, e un altro solido di Archimedia noto come cubo camuso, una struttura con 60 spigoli, 24 vertici e 38 facce, di cui 6 quadrati e 32 triangoli equilateri. Gli autori sottolineano che le nuove innovazioni di design descritte possono essere utilizzate per comporre e costruire qualsiasi nanostruttura wireframe immaginabile, un progresso significativo per il settore in rapida crescita.

All'orizzonte, strutture su scala nanometrica potrebbero un giorno essere schierate per cacciare le cellule cancerose nel corpo o fungere da linee di assemblaggio di robot per la progettazione di nuovi farmaci.