DNA, presente in quasi tutte le cellule, viene sempre più utilizzato come materiale da costruzione per costruire piccoli, ma strutture sofisticate come i "camminatori del DNA" autonomi che possono muoversi lungo una superficie di microparticelle, etichette fluorescenti per applicazioni diagnostiche, "Scatole di DNA" che fungono da veicoli intelligenti per la somministrazione di farmaci programmati per aprirsi nei siti di malattie per rilasciare il loro contenuto terapeutico, o fabbriche programmabili per nanoparticelle di dimensioni e forme definite per nuove applicazioni ottiche ed elettroniche.

Per assecondare queste funzioni, i ricercatori del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard e di tutto il mondo hanno sviluppato metodi che consentono ai filamenti di DNA di autoassemblarsi in strutture 3D sempre più complesse come gli origami di DNA a scaffold. origami di DNA, però, sono limitati nelle loro dimensioni perché si basano sulla disponibilità di trefoli di impalcatura che possono essere difficili da produrre e manipolare. Nel 2012, Peng Yin e il suo team al Wyss Institute hanno presentato un metodo alternativo in Natura (2D) e Scienza (3D) che si basa su "mattoni" di DNA, che non utilizzano un'impalcatura ma piuttosto sono in grado di connettersi come i mattoncini Lego ad incastro e quindi autoassemblarsi in strutture delle dimensioni di un origami con forme prescritte.

Come riportato in Natura , il team ha scavalcato la propria tecnologia di due ordini di grandezza, consentendo ai mattoncini di DNA di nuova generazione di autoassemblarsi in nanostrutture tridimensionali 100 volte più complesse di quelle create con i metodi esistenti. Gli origami di DNA e i mattoncini di DNA di prima generazione si autoassemblano da centinaia di componenti unici per produrre nanostrutture su scala MegaDalton, considerando che il nuovo approccio basato sui mattoni del DNA consente 10, 000 componenti da autoassemblare in strutture di dimensioni GigaDalton (1 GigaDalton equivale a 1000 MegaDalton o 1 miliardo di Dalton). Lo studio fornisce strumenti computazionali di facile utilizzo per progettare nanostrutture di DNA con cavità complesse (e possibilmente superfici) che hanno il potenziale per fungere da componenti di costruzione in numerose applicazioni nanotecnologiche in medicina e ingegneria.

"Il principio e le capacità promettenti dei nostri mattoncini di DNA di prima generazione ci hanno portato a chiederci se possiamo migliorare il sistema per ottenere nanostrutture significativamente più complesse con rese molto più elevate nelle reazioni di assemblaggio a un solo vaso. Qui siamo riusciti a fare tutto questo. Abbiamo lavorato una piattaforma pratica facilmente accessibile che consente ai ricercatori con interessi e applicazioni molto diversi in mente di creare una tela molecolare con 10, 000 mattoni e utilizzarli per costruire nanostrutture con complessità e potenzialità senza precedenti, " ha detto l'autore corrispondente Yin, dottorato di ricerca, che è un membro della facoltà principale del Wyss Institute, co-leader dell'Iniziativa di Robotica Molecolare dell'Istituto, e professore di biologia dei sistemi alla Harvard Medical School.

La tecnologia DNA brick si basa sulla natura stabile e altamente programmabile del DNA. Un singolo DNA brick è un breve filamento di DNA sintetico costituito da una sequenza predefinita delle quattro basi nucleotidiche universali:adenina (A), citosina (C), guanina (G), e timina (T). I ricercatori del Wyss Institute creano grandi nanostrutture 3D mescolando vari mattoni, ognuno porta la propria sequenza unica di nucleotidi che è progettata per adattarsi e legarsi a un dominio complementare di basi nucleotidiche in un altro mattone in modo che possano autoassemblarsi. Nella nuova versione della tecnologia, variando la lunghezza dei singoli domini di legame all'interno dei mattoni, il team si è concluso con una diversità sostanzialmente maggiore tra i possibili mattoni che, Inoltre, si legano molto più forte l'uno all'altro. Lo studio ha anche sviluppato un software per computer di facile utilizzo in modo che i progettisti possano semplicemente inserire una forma 3D richiesta e ricevere automaticamente un elenco di sequenze di mattoni del DNA che possono essere sintetizzate e utilizzate per formare la struttura desiderata.

"Abbiamo dimostrato le capacità della nostra tecnologia costruendo enormi cuboidi contenenti fino a 30, 000 mattoni e ha mostrato alcune forme esemplari che possono essere costruite da sottoinsiemi di quei mattoni. È notevole che i mattoni siano stati in grado di distinguere tra decine di migliaia di potenziali partner per trovare i loro giusti vicini, ed è stato emozionante vedere che la tecnica dei mattoni del DNA poteva essere utilizzata per formare cavità piuttosto complesse come un orsacchiotto, la parola "AMORE" o un nastro di Möbius, tra tanti altri, " ha detto la prima autrice Luvena Ong, dottorato di ricerca, un ex studente laureato nel laboratorio di Yin e ora ricercatore alla Bristol-Myers Squibb.

Il team di Yin ha collaborato con i ricercatori del Centro nazionale per la ricerca scientifica (CNRS) e dell'Istituto nazionale francese di sanità e ricerca medica (INSERM) a Montpellier, Francia e l'Istituto di biochimica Max Planck di Monaco di Baviera, La Germania distribuirà una raccolta di metodi di microscopia all'avanguardia per visualizzare le cavità progettate in cuboidi 3D. "Le strutture di cavità composte da mattoni di DNA sono di grande interesse in quanto offrono la possibilità di progettare nano-contenitori in cui le biomolecole come le proteine ​​possono essere collocate in disposizioni molto definite per studiare le loro interazioni e sfruttare le loro attività, ", ha detto l'autore corrispondente Yonggang Ke, dottorato di ricerca, che ha sviluppato la prima piattaforma DNA brick con Yin come Postdoctoral Fellow presso il Wyss Institute, ed è ora Assistant Professor presso il Georgia Institute of Technology e la Emory University. Ke, lavorando insieme al suo dottorando Pengfei Wang, è stato determinante nel portare la tecnologia alla sua nuova versione. "Aggiungendo porzioni funzionali ai mattoni del DNA in grado di svolgere processi di assemblaggio e enzimatici, possono essere convertiti in potenti strumenti per processi di nanofabbricazione commerciale e biomedica su una nuova scala, " ha detto Ke. I ricercatori ritengono che, nel futuro, il metodo potrebbe essere utilizzato anche per generare grandi nanostrutture con superfici esterne scolpite e specifiche per l'applicazione.

"Il modo in cui la multiforme tecnologia dei mattoni del DNA si sta evolvendo mostra come la Molecular Robotics Initiative del Wyss Institute possa raggiungere in profondità il campo della nanotecnologia del DNA per consentire nuovi approcci che potrebbero risolvere molti problemi del mondo reale, ", ha affermato il direttore fondatore del Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., dottorato di ricerca, che è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso HMS e Vascular Biology Program presso il Boston Children's Hospital, nonché Professore di Bioingegneria presso SEAS.