Il DNA è una delle molecole più incredibili in natura, fornendo un modo per trasportare le istruzioni necessarie per creare quasi tutte le forme di vita sulla Terra in un pacchetto microscopico. Ora gli scienziati stanno trovando modi per spingere ulteriormente il DNA, usandolo non solo per memorizzare informazioni ma per creare componenti fisici in una gamma di macchine biologiche.

L'acido desossiribonucleico o "DNA" porta l'informazione genetica che noi, e tutti gli organismi viventi, utilizzare per funzionare. Si presenta tipicamente sotto forma della famosa forma a doppia elica, costituito da due molecole di DNA a singolo filamento ripiegate a spirale. Ciascuno di questi è costituito da una serie di quattro diversi tipi di componenti molecolari:adenina (A), guanina (G), timina (T), e citosina (C).

I geni sono costituiti da diverse sequenze di questi componenti costitutivi, e l'ordine in cui appaiono in un filamento di DNA è ciò che codifica l'informazione genetica. Ma progettando con precisione A diversi, G, sequenze T e C, gli scienziati sono stati recentemente in grado di sviluppare nuovi modi per piegare il DNA in diverse forme di origami, oltre la doppia elica convenzionale.

Questo approccio ha aperto nuove possibilità di utilizzo del DNA al di là del suo scopo genetico e biologico, trasformandolo in un materiale tipo Lego per costruire oggetti di appena pochi miliardesimi di metro di diametro (nanoscala). I materiali a base di DNA vengono ora utilizzati per una varietà di applicazioni, che vanno da modelli per nano-dispositivi elettronici, ai modi di trasportare precisamente i farmaci alle cellule malate.

Nanotermometri a base di DNA

La progettazione di dispositivi elettronici di dimensioni di appena nanometri apre a tutti i tipi di possibili applicazioni, ma rende più difficile individuare i difetti. Come un modo per affrontare questo, i ricercatori dell'Università di Montreal hanno utilizzato il DNA per creare termometri ultrasensibili su nanoscala che potrebbero aiutare a trovare minuscoli punti caldi nei nanodispositivi (che indicherebbero un difetto). Potrebbero anche essere usati per monitorare la temperatura all'interno delle cellule viventi.

I nanotermometri sono realizzati utilizzando anse di DNA che fungono da interruttori, piegarsi o aprirsi in risposta ai cambiamenti di temperatura. Questo movimento può essere rilevato collegando sonde ottiche al DNA. I ricercatori ora vogliono costruire questi nanotermometri in dispositivi di DNA più grandi che possano funzionare all'interno del corpo umano.

Nanorobot biologici

I ricercatori della Harvard Medical School hanno utilizzato il DNA per progettare e costruire un robot di dimensioni nanometriche che funge da veicolo di somministrazione di farmaci per colpire cellule specifiche. Il nanorobot si presenta sotto forma di un barile aperto fatto di DNA, le cui due metà sono collegate da una cerniera tenuta chiusa da speciali maniglie DNA. Queste maniglie possono riconoscere combinazioni di proteine ​​specifiche presenti sulla superficie delle cellule, compresi quelli associati a malattie.

Quando il robot entra in contatto con le cellule giuste, apre il container e consegna il suo carico. Quando applicato a una miscela di cellule del sangue umane sane e cancerose, questi robot hanno mostrato la capacità di colpire e uccidere metà delle cellule cancerose, mentre le cellule sane sono rimaste illese.

Biocomputer negli animali viventi

Poiché le strutture del DNA possono agire come interruttori, passando da una posizione all'altra e viceversa, possono essere utilizzati per eseguire le operazioni logiche che rendono possibili i calcoli del computer. I ricercatori di Harvard e della Bar-Ilan University in Israele hanno utilizzato questo principio per costruire diversi robot su nanoscala che possono interagire tra loro, usando i loro interruttori del DNA per reagire e produrre segnali diversi.

Cosa c'è di più, gli scienziati hanno impiantato i robot in un animale vivente, in questo caso uno scarafaggio. Ciò ha permesso loro di sviluppare un nuovo tipo di computer biologico in grado di controllare la somministrazione di molecole terapeutiche all'interno dello scarafaggio attivando o disattivando gli elementi della loro struttura. Una sperimentazione di questi nanorobot a DNA è ora prevista per l'uomo.

Antenne per la raccolta della luce

Oltre a creare minuscole macchine, Il DNA può fornirci un modo per copiare i processi naturali su scala nanometrica. Per esempio, la natura può catturare energia dal sole usando la fotosintesi per convertire la luce in energia chimica, che funge da combustibile per le piante e altri organismi (e gli animali che li mangiano). I ricercatori dell'Arizona State University e dell'Università della British Columbia hanno ora costruito una struttura del DNA a tre bracci in grado di catturare e trasferire la luce che imita questo processo.

La fotosintesi avviene negli organismi viventi grazie a minuscole antenne costituite da un gran numero di molecole di pigmento a specifici orientamenti e distanze l'una dall'altra, che sono in grado di assorbire la luce visibile. Le strutture artificiali basate sul DNA agiscono come antenne simili, controllando la posizione di specifiche molecole di colorante che assorbono l'energia luminosa e la incanalano in un centro di reazione dove viene convertita in energia chimica. Questo lavoro potrebbe aprire la strada a dispositivi in ​​grado di utilizzare in modo più efficiente la fonte di energia più abbondante di cui disponiamo:la luce solare.

Allora, qual è il futuro della nanotecnologia del DNA? È difficile saperlo ma, con DNA, la natura ci ha dato uno strumento molto versatile. Ora sta a noi sfruttarlo al meglio.

Questa storia è pubblicata per gentile concessione di The Conversation (sotto Creative Commons-Attribuzione/Nessun derivato).