I ricercatori possono costruire complessi, strutture su scala nanometrica di quasi ogni forma e forma, utilizzando filamenti di DNA. Ma queste particelle devono essere progettate a mano, in un processo complesso e laborioso.

Questo ha limitato la tecnica, noto come DNA origami, ad un piccolo gruppo di esperti del settore.

Ora un team di ricercatori del MIT e altrove ha sviluppato un algoritmo in grado di costruire automaticamente queste nanoparticelle di DNA.

In questo modo l'algoritmo che è riportato insieme a un nuovo approccio di sintesi nella rivista Scienza questa settimana, potrebbe consentire di utilizzare la tecnica per sviluppare nanoparticelle per una gamma molto più ampia di applicazioni, comprese le impalcature per i vaccini, vettori per strumenti di editing genetico, e nella memoria di archiviazione.

A differenza dei tradizionali origami a DNA, in cui la struttura viene costruita manualmente a mano, l'algoritmo inizia con un semplice, Rappresentazione geometrica 3D della forma finale dell'oggetto, e poi decide come dovrebbe essere assemblato dal DNA, secondo Mark Bathe, professore associato di ingegneria biologica al MIT, che ha condotto la ricerca.

"Il documento gira il problema da quello in cui un esperto progetta il DNA necessario per sintetizzare l'oggetto, a uno in cui l'oggetto stesso è il punto di partenza, con le sequenze di DNA necessarie definite automaticamente dall'algoritmo, " dice Bathe. "La nostra speranza è che questa automazione ampli in modo significativo la partecipazione di altri nell'uso di questo potente paradigma di progettazione molecolare".

L'algoritmo prima rappresenta l'oggetto come un oggetto perfettamente liscio, contorno continuo della sua superficie. Quindi rompe la superficie in una serie di forme poligonali.

Prossimo, percorre un lungo, singolo filamento di DNA, chiamato il patibolo, che agisce come un pezzo di filo, in tutta la struttura per tenerlo insieme.

L'algoritmo tesse l'impalcatura in un passaggio rapido ed efficiente, che può essere utilizzato per qualsiasi forma di oggetto 3D, dice il bagno.

"Quel [passo] è una parte potente dell'algoritmo, perché non richiede alcuna interfaccia manuale o umana, ed è garantito per funzionare con qualsiasi oggetto 3D in modo molto efficiente, " lui dice.

L'algoritmo, noto come DAEDALUS (DNA Origami Sequence Design Algorithm for User-defined Structures) dall'artigiano e artista greco che ha progettato labirinti che ricordano le complesse strutture di impalcature degli origami, può costruire qualsiasi tipo di forma 3D, purché abbia una superficie chiusa. Questo può includere forme con uno o più fori, come un toro.

In contrasto, un algoritmo precedente, pubblicato l'anno scorso sulla rivista Natura , è in grado solo di progettare e costruire le superfici di oggetti sferici, e anche allora richiede ancora un intervento manuale.

La strategia del team nella progettazione e sintesi delle nanoparticelle di DNA è stata anche convalidata utilizzando ricostruzioni di microscopia crioelettronica 3D dal collaboratore di Bathe, Wah Chiu al Baylor College of Medicine.

I ricercatori stanno ora studiando una serie di applicazioni per le nanoparticelle di DNA costruite dall'algoritmo DAEDALUS. Una di queste applicazioni è un'impalcatura per peptidi e proteine ​​virali da utilizzare come vaccini.

La superficie delle nanoparticelle potrebbe essere progettata con qualsiasi combinazione di peptidi e proteine, situato in qualsiasi posizione desiderata sulla struttura, per imitare il modo in cui un virus appare al sistema immunitario del corpo.

I ricercatori hanno dimostrato che le nanoparticelle di DNA sono stabili per più di sei ore nel siero, e stanno ora cercando di aumentare ulteriormente la loro stabilità.

Le nanoparticelle potrebbero anche essere utilizzate per incapsulare lo strumento di editing genetico CRISPR-Cas9. Lo strumento CRISPR-Cas9 ha un enorme potenziale in ambito terapeutico, grazie alla sua capacità di modificare i geni mirati. Però, c'è un bisogno significativo di sviluppare tecniche per confezionare lo strumento e consegnarlo a cellule specifiche all'interno del corpo, dice il bagno.

Questo è attualmente fatto utilizzando virus, ma questi sono limitati nelle dimensioni del pacchetto che possono trasportare, limitandone l'uso. Le nanoparticelle di DNA, in contrasto, sono in grado di trasportare pacchetti genici molto più grandi e possono essere facilmente dotati di molecole che aiutano a colpire le cellule o i tessuti giusti.

Il team sta anche studiando l'uso delle nanoparticelle come blocchi di memoria del DNA. Ricerche precedenti hanno dimostrato che le informazioni possono essere memorizzate nel DNA, in modo simile agli 0 e 1 utilizzati per memorizzare i dati digitalmente. Le informazioni da memorizzare vengono "scritte" utilizzando la sintesi del DNA e possono quindi essere lette utilizzando la tecnologia di sequenziamento del DNA.

L'utilizzo delle nanoparticelle di DNA consentirebbe di archiviare queste informazioni in modo strutturato e protetto, con ogni particella simile a una pagina o un capitolo di un libro. Richiamare un particolare capitolo o libro sarebbe quindi semplice come leggere l'identità di quella nanoparticella, un po' come usare le schede delle biblioteche, dice il bagno.

L'aspetto più emozionante del lavoro, però, è che dovrebbe ampliare significativamente la partecipazione all'applicazione di questa tecnologia, fare il bagno dice, proprio come la stampa 3D ha fatto per modelli geometrici 3D complessi su scala macroscopica.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.