Le coppie di basi trovate nel DNA sono fondamentali per la sua capacità di immagazzinare informazioni sulla codifica delle proteine, ma danno anche alla molecola proprietà strutturali utili. Ottenere due filamenti complementari di DNA per comprimersi in una doppia elica può servire come base di intricati meccanismi fisici che possono spingere e tirare dispositivi su scala molecolare.

Gli ingegneri dell'Università della Pennsylvania hanno sviluppato "muscoli" su scala nanometrica che funzionano su questo principio. Incorporando con cura filamenti di DNA personalizzato in diversi strati di film flessibili, possono costringere quei film a piegarsi, arricciarsi e persino capovolgersi introducendo il giusto indizio del DNA. Potrebbero anche invertire questi cambiamenti attraverso diversi segnali del DNA.

Un giorno, la flessione di questi muscoli potrebbe essere utilizzata in dispositivi diagnostici, in grado di segnalare cambiamenti nell'espressione genica dall'interno delle cellule.

I ricercatori hanno dimostrato questo sistema in uno studio pubblicato su Nanotecnologia della natura .

Lo studio è stato condotto da John C. Crocker e Daeyeon Lee, professori di ingegneria chimica e biomolecolare presso la Penn's School of Engineering and Applied Science, insieme a Tae Soup Shim, che era poi un associato post-dottorato in entrambi i gruppi di ricercatori. David Chenoweth, un assistente professore di chimica alla Penn's School of Arts &Sciences, e So-Jung Park, professore nel Dipartimento di Chimica e Nanoscienze della Ewha Womans University, Seul, anche contribuito allo studio. Altri coautori di Penn includono Zaki G. Estephan, Zhaoxia Qian, Jacob H. Prosser e Su Yeon Lee, dottorandi e ricercatori post-dottorato nei dipartimenti di Ingegneria Chimica e Biomolecolare, Scienza e Ingegneria dei Materiali e Chimica.

I muscoli su scala nanometrica nello studio sono costituiti da nanoparticelle d'oro, che sono collegati tra loro da DNA a singolo filamento. I ricercatori hanno costruito i film strato per strato, introducendo diversi set di nanoparticelle legate al DNA a diverse profondità. Ogni set di nanoparticelle conteneva collegamenti con sequenze diverse.

"Il modo in cui funziona l'attuazione, "Crocker ha detto, "è che aggiungiamo DNA a singolo filamento che è complementare a una porzione dei ponti tra le particelle. Quando quel DNA si diffonde, trasforma proprio quei ponti in eliche di DNA a doppio filamento".

Poiché la sequenza specifica del DNA aggiunto è adattata per adattarsi a diversi set di ponti di nanoparticelle, i ricercatori potrebbero prendere di mira i singoli strati del film, formare ponti a doppio filamento proprio in quegli strati.

Questo meccanismo era fondamentale per far flettere i film, poiché i ponti a singolo e doppio filamento hanno lunghezze diverse.

"Accade così che i DNA a doppio filamento siano più lunghi dei DNA a filamento singolo con lo stesso numero di basi, "Crocker ha detto, "quindi quando il filo aggiunto si lega, il ponte si allunga un po' e il materiale si dilata. Se solo uno strato del film si espande, il film si arriccia".

I ricercatori hanno anche progettato un modo per riportare i ponti al loro originale, stato a filamento singolo, annullando questo ricciolo. Le ciocche che danno la stecca al curling hanno anche un "manico" che non si lega ai ponti. Tirando questa maniglia si divide la doppia elica che si forma il DNA aggiunto.

"Realizziamo il filo che abbiamo aggiunto per espandere i ponti un po' più a lungo del necessario, " disse Crocker. "Dopo aver formato una doppia elica con il ponte, ci sono altre 7 basi di DNA a filamento singolo rimasto che penzolano al lato del ponte. Per invertire il processo, aggiungiamo un filo "stripper" che è complementare al filo "expander" e al "manico" extra pendente. In realtà si ibrida al manico penzolante, e poi tira il filo di espansione dal ponte, formando una doppia elica in soluzione che galleggia via, permettendo al ponte di tornare al suo più corto, forma a filamento singolo."

Far arricciare o capovolgere completamente i film è solo una prova di concetto per ora, ma questo comportamento di flessione simile a un muscolo potrebbe avere una miriade di applicazioni su scala nanometrica.

Essere in grado di rispondere a un segnale e ignorare totalmente l'altro, impossibile per i sistemi che si flettono in base ai cambiamenti di temperatura o acidità, è fondamentale per la loro capacità di funzionare come dispositivi diagnostici.

"Un'applicazione 'estrema' a cui abbiamo pensato si trova in situazioni intracellulari in cui non possiamo controllare esattamente le cose con cavi o apparecchiature wireless, disse Crocker. "Potremmo realizzare un dispositivo che assorbe o riflette una certa lunghezza d'onda della luce in base alla distanza dei suoi strati interni, e potremmo quindi alterare quella distanza usando un segnale chimico. Questo segnale potrebbe essere un RNA messaggero, quindi il dispositivo fornisce una lettura dell'espressione genica di una singola cellula. Questi dispositivi intracellulari potrebbero essere letti al microscopio, o all'interno del corpo utilizzando l'imaging a infrarossi".