La conoscenza di come il DNA si piega e si piega potrebbe offrire una nuova prospettiva su come viene gestito all'interno delle cellule, aiutando anche nella progettazione di dispositivi su nanoscala basati sul DNA, dice un ingegnere biomedico della Texas A&M University la cui nuova analisi del DNA basata sul movimento sta fornendo una rappresentazione accurata della flessibilità della molecola.
Il modello, che sta gettando nuova luce sulle proprietà fisiche del DNA, è stato sviluppato da Wonmuk Hwang, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica dell'Università, e il suo dottorato di ricerca studente Xiaojing Teng. Hwang utilizza la simulazione al computer e l'analisi teorica per studiare biomolecole come il DNA che svolgono funzioni essenziali nel corpo umano. Il suo ultimo modello, che fornisce un'analisi del DNA basata sul movimento è dettagliato nella rivista scientifica ACS Nano .
Oltre a contenere le informazioni genetiche necessarie per costruire e mantenere un organismo, Il DNA ha alcune proprietà fisiche incredibilmente interessanti che lo rendono ideale per la costruzione di nanodispositivi, Note di Hwang. Per esempio, il DNA racchiuso nel nucleo di una cellula umana può estendersi fino a quattro piedi quando è allungato, ma grazie a una serie di pieghe, curve e torsioni, rimane in uno spazio non più grande di un micron, una frazione della larghezza di un capello umano. Il DNA è anche in grado di essere programmato per l'autoassemblaggio e lo smontaggio, rendendolo utilizzabile per la costruzione di dispositivi nanomeccanici.
Comprendere le sue proprietà fisiche uniche è la chiave per sbloccare il potenziale del DNA come strumento di costruzione, ma studi precedenti, note di Hwang, hanno fornito informazioni limitate sulla flessibilità del DNA. Ciò è in gran parte dovuto alla loro dipendenza da modelli strutturali statici della molecola, dice Hwang. A differenza di questi studi, Il modello di Hwang incorpora una simulazione atomistica in modo da poter analizzare il movimento termico intrinseco del DNA. Hwang e il suo team sono quindi in grado di misurare come si deforma il filamento di DNA durante questo movimento.
Il concetto chiave nell'analisi, Hwang spiega, è noto come 'asse principale, ' che sostanzialmente denota dove una canna può piegarsi più facilmente o dove è più rigida. Ad esempio, un righello può piegarsi più facilmente vicino al suo lato piatto mentre è il più difficile da piegare vicino al suo bordo sottile, lui dice. Un comportamento simile può essere visto per il DNA. Questa analisi basata sul movimento, Hwang dice, ha già portato ad alcune scoperte chiave e intuizioni biologiche sul DNA.
Per esempio, una catena a doppia elica del DNA, note di Hwang, può avere una flessibilità variabile in base a come sono organizzate le sequenze di nucleotidi sulla catena. Cosa c'è di più, Il modello di Hwang ha rivelato che il DNA risponde in modi specifici alle forze fisiche:torsioni o piegamenti. Questa risposta può essere vista quando le proteine si legano al DNA, Hwang spiega. Quando le proteine si legano senza molto dispendio energetico tendono a torcere il DNA, ma il legame ad alta energia provoca più di una flessione del DNA, dice Hwang.
Queste reazioni di piccole dimensioni, note di Hwang, potrebbe avere grandi implicazioni, in particolare quando si tratta di utilizzare il DNA come elementi costitutivi molecolari per nanodispositivi come sistemi di somministrazione di farmaci e circuiti nei dispositivi plasmonici. Costruire dispositivi incredibilmente piccoli ma avanzati è uno degli obiettivi principali della nanotecnologia, e farlo con il DNA non è così inverosimile come sembra. Durante gli ultimi anni, i ricercatori hanno utilizzato il materiale genetico per costruire una serie di costrutti di dimensioni nanometriche, modellandolo in varie forme tridimensionali come scatole che possono aprirsi e chiudersi. Il processo, noto come DNA origami, è ancora nella sua relativa infanzia, ma le informazioni fornite dal modello di Hwang potrebbero aiutare i ricercatori a costruire costrutti più avanzati.
"Guidare un'auto è una cosa, ma costruirlo è un'altra; giri la chiave e pigia sull'acceleratore, e l'auto si muove:puoi usarla senza bisogno di sapere cosa sta succedendo all'interno dell'auto, " dice Hwang. "Ma per progettare veramente un'auto migliore, è necessario conoscere le proprietà dei suoi componenti e come sono messi insieme. Lo stesso vale per il DNA poiché continua ad essere utilizzato per costruire queste nanostrutture, e stiamo fornendo una scheda tecnica meccanica per questo attraverso la nostra analisi."
