I ricercatori hanno introdotto un nuovo tipo di microscopia "super-risoluzione" e l'hanno usata per scoprire il preciso meccanismo di deambulazione dietro minuscole strutture fatte di DNA che potrebbero trovare applicazioni biomediche e industriali.

I ricercatori hanno anche dimostrato come il "DNA walker" sia in grado di rilasciare un farmaco antitumorale, rappresentando una potenziale nuova tecnologia biomedica, disse Jong Hyun Choi, professore associato di ingegneria meccanica alla Purdue University.

I nanomotori sintetici e i camminatori sono sistemi dal design complesso che attingono energia chimica dall'ambiente e la convertono in movimento meccanico. Però, perché sono troppo piccoli per essere osservati con i microscopi ottici convenzionali, i ricercatori non sono stati in grado di apprendere i passaggi precisi coinvolti nei meccanismi di deambulazione, conoscenze essenziali per perfezionare la tecnologia.

"Se non puoi risolvere o monitorare questi vaganti in azione, non sarai in grado di capire il loro funzionamento meccanico, " disse Choi.

Ha guidato un team di Purdue che ha risolto questo problema sviluppando un sistema di microscopia a super risoluzione progettato per studiare i camminatori del DNA. Le nuove scoperte sono apparse sulla rivista Progressi scientifici il 20 gennaio.

I ricercatori di tutto il mondo stanno creando motori sintetici basati su DNA e RNA, i materiali genetici nelle cellule che consistono in una sequenza di quattro basi chimiche:adenina, guanina, citosina e timina. I design sono ispirati a motori biologici naturali che si sono evoluti per svolgere compiti specifici critici per la funzione delle cellule.

I ricercatori della Purdue hanno progettato un sistema di deambulazione del DNA costituito da un nucleo enzimatico e due braccia. Il camminatore percorre una pista di nanotubi di carbonio "decorata" con filamenti di RNA. Il nucleo enzimatico scinde segmenti di questi filamenti di RNA mentre il deambulatore si muove continuamente in avanti, legandosi e raccogliendo energia dall'RNA. Il deambulatore si muove in un ciclo di sei fasi che si ripete finché c'è carburante di RNA.

Una nanoparticella fluorescente è attaccata a un braccio del camminatore del DNA, facendolo risplendere quando esposto alla luce nella parte visibile dello spettro. Anche la traccia dei nanotubi di carbonio diventa fluorescente quando esposta alla luce in una porzione dello spettro del vicino infrarosso. Poiché il nuovo sistema di microscopia a super risoluzione opera sia nello spettro visibile che nel vicino infrarosso, è possibile seguire il meccanismo di deambulazione.

La tecnologia a super risoluzione consente ai ricercatori di risolvere caratteristiche strutturali molto più piccole della lunghezza d'onda della luce visibile, che normalmente è difficile con i microscopi convenzionali a causa del limite di diffrazione di Abbe, stabilito dal fisico Ernst Abbe nel 1873. Il limite è di circa 250 nanometri, che è grande rispetto ai minuscoli camminatori, misura circa 5 nanometri di lunghezza.

Quando il DNA walker è esposto alla luce laser, la nanoparticella e il nanotubo si accendono e si spengono in modo casuale. Questi flash vengono catturati come numerosi punti fluorescenti in migliaia di fotogrammi. Questa raccolta di punti viene quindi utilizzata per ricostruire il movimento preciso del deambulatore, che si muove in un ciclo di sei fasi che comporta il taglio di porzioni del filamento di RNA e la raccolta della sua energia prima di passare al filamento successivo.

I risultati hanno rivelato che tre fasi principali dominano questo meccanismo di deambulazione.

"Così, se riesci a controllare questi tre passaggi all'interno di questo ciclo di camminata, allora puoi davvero studiare e controllare meglio questi camminatori, " Choi ha detto. "Puoi velocizzarli, puoi farli fermare e muoverti in direzioni diverse."

Considerando che in precedenza ci sarebbero volute 20 ore o più per studiare un ciclo di camminata completo, il nuovo approccio accelera il processo a circa un minuto.