Negli ultimi decenni, gli scienziati sono stati ispirati dal progetto di vita, DNA, come la forma delle cose a venire per la nanotecnologia.

Questo fiorente campo si chiama DNA origami. Lo scienziato ha preso in prestito il suo soprannome dagli artisti della carta che evocano uccelli, fiori e aerei piegando con fantasia un singolo foglio di carta.

Allo stesso modo, Gli scienziati dell'origami del DNA stanno immaginando una varietà di forme - su una scala mille volte più piccola di un capello umano - che sperano un giorno rivoluzionerà l'informatica, elettronica e medicina.

Ora, un team di scienziati dell'Arizona State e di Harvard ha inventato un nuovo importante progresso nella nanotecnologia del DNA. Soprannominato "origami a filamento singolo, " la loro nuova strategia usa un lungo, sottile filamento di DNA simile a una pasta, o il suo cugino chimico RNA, che può piegarsi da solo - senza nemmeno un nodo - nel più grande, strutture più complesse fino ad oggi.

E, i filamenti che formano queste strutture possono essere realizzati all'interno di cellule viventi o utilizzando enzimi in una provetta, consentendo agli scienziati il ​​potenziale di plug-and-play con nuovi design e funzioni per la nanomedicina, come piccoli, nanobot che giocano al dottore e consegnano farmaci all'interno delle cellule nel sito della lesione.

"Penso che questa sia una svolta entusiasmante, e una grande opportunità anche per la biologia sintetica, " ha detto Hao Yan, un co-inventore della tecnologia, direttore del Center for Molecular Design and Biomimetics dell'ASU Biodesign Institute, e il Milton Glick Professor alla School of Molecular Sciences.

"Siamo sempre ispirati dai progetti della natura per creare molecole che trasportano informazioni che possono auto-ripiegarsi nelle forme su scala nanometrica che vogliamo realizzare, "

Come prova del concetto, hanno spinto la busta per fare faccine sorridenti simili a Emoji, cuori, forme triangolari - 18 forme in totale - che espandono in modo significativo lo spazio dello studio di progettazione e la scalabilità dei materiali per i cosiddetti, nanotecnologia "dal basso verso l'alto".

Le misure contano

Ad oggi, Gli scienziati della nanotecnologia del DNA hanno dovuto fare affidamento su due metodi principali per creare strutture spazialmente indirizzabili con dimensioni finite.

Il primo erano i mattoni molecolari, piccolo, brevi pezzi di DNA che possono piegarsi insieme per formare un'unica struttura. Il secondo metodo era il DNA impalcato, dove un singolo filamento viene modellato in una struttura utilizzando filamenti ausiliari di DNA, che fissano la struttura in posizione.

"Questi due metodi non sono molto scalabili in termini di sintesi, "ha detto Fei Zhang, un co-autore senior sul documento. "Quando hai così tanti brevi frammenti di DNA, non puoi replicarlo usando sistemi biologici. Un modo per aggirare questo è progettare un lungo filone che potrebbe piegarsi in qualsiasi design o architettura".

Per di più, ogni metodo è stato limitato perché all'aumentare delle dimensioni della struttura, la capacità di piegarsi correttamente diventa più impegnativa.

Ora, c'è una nuova terza via.

Per Yan e la sua squadra per fare il loro passo avanti, dovevano tornare al tavolo da disegno, il che significava guardare di nuovo la natura per trovare ispirazione. Hanno trovato quello che stavano cercando con un cugino chimico del DNA, sotto forma di complesso, strutture dell'RNA.

Le complesse strutture di RNA scoperte fino ad oggi contengono molecole di RNA a filamento singolo che si ripiegano da sole in strutture prive di nodi topologici. Questo trucco potrebbe funzionare di nuovo per gli origami di DNA o RNA a singolo filamento?

Sono stati in grado di decifrare il codice di come l'RNA crea strutture per sviluppare un'architettura di origami a singolo filamento completamente programmabile.

"L'innovazione chiave del nostro studio è utilizzare DNA e RNA per costruire una struttura strutturalmente complessa ma priva di nodi che può essere piegata senza problemi da un singolo filamento, " ha detto Yan. "Questo ci ha fornito una strategia di progettazione che ci ha permesso di piegare un lungo filo in un'architettura complessa".

"Con l'aiuto di un informatico del team, potremmo anche codificare il processo di progettazione come un algoritmo formale matematicamente rigoroso e automatizzare la progettazione sviluppando uno strumento software di facile utilizzo, " ha detto Yan.

L'algoritmo e il software sono stati convalidati dalla progettazione automatizzata e dalla costruzione sperimentale di sei distinte strutture di DNA ssOrigami (quattro rombi e due forme di cuore).

Forma e funzione

Una cosa è creare modelli furbi e faccine sorridenti con il DNA, ma i critici dell'origami del DNA si sono chiesti quando sarebbero avvenute le applicazioni pratiche.

Ora, questi sono possibili. "Penso che siamo molto più vicini alle reali applicazioni pratiche della tecnologia, " ha affermato Yan. "Stiamo esaminando attivamente le prime applicazioni di nanomedicina con la nostra tecnologia ssOrigami".

Sono stati anche in grado di dimostrare che una struttura ssOrigami ripiegata può essere fusa e utilizzata come stampo per l'amplificazione mediante enzimi che copiano il DNA in una provetta e che il filamento ssOrigami può essere replicato e amplificato tramite la produzione clonale nelle cellule viventi.

"Le nanostrutture di DNA a singolo filamento formate tramite auto-piegamento offrono un maggiore potenziale di essere amplificabili, replicabile, e clonabile, e quindi l'opportunità di un rapporto costo-efficacia, produzione su larga scala mediante replicazione enzimatica e biologica, nonché la possibilità di utilizzare l'evoluzione in vitro per produrre fenotipi e funzionalità sofisticati, " ha detto Yan.

Queste stesse regole di progettazione potrebbero essere utilizzate per il cugino chimico del DNA, RNA.

Una caratteristica chiave del design dell'origami a filamento singolo (ssOrigami) è che il filamento può essere creato e copiato in laboratorio e nelle cellule viventi e successivamente piegato in strutture di design riscaldando e raffreddando il DNA.

Per farlo all'interno del laboratorio, hanno usato la fotocopiatrice delle sequenze di clonazione, chiamato PCR, replicare e produrre ssDNA.

All'interno delle cellule viventi, prima lo misero all'interno di un mulo di clonazione molecolare, chiamato plasmide, dopo che è stato inserito in un comune batterio da laboratorio chiamato cellule di E. coli. Quando hanno trattato i batteri con enzimi per liberare il ssDNA, potrebbero isolarlo, e poi piegarlo nella sua struttura di destinazione.

"Poiché il DNA plasmidico può essere facilmente replicato in E. coli, la produzione può essere incrementata coltivando un grande volume di cellule di E. coli a basso costo, " ha detto Yan. Questo aggira il vincolo di dover sintetizzare tutto il DNA in laboratorio da zero, che è molto più costoso.

Adesso li muove anche in una direzione, dove possono potenzialmente creare le strutture all'interno delle cellule.

"Qui mostriamo i batteri per fare il filo, ma è ancora necessario eseguire la ricottura termica all'esterno dei batteri per formare la struttura, " ha detto Yan. "La situazione ideale sarebbe quella di progettare una sequenza di RNA che può essere trascritta all'interno dei batteri, e si ripiegano all'interno dei batteri in modo da poter utilizzare i batteri come una nanofabbrica per produrre il materiale".

Qui, hanno dimostrato una struttura per progettare e sintetizzare un singolo filamento di DNA o RNA per ripiegarsi in modo efficiente in una struttura ssOrigami compatta non annodata che si avvicina a qualsiasi forma bersaglio arbitraria prescritta dall'utente.

"La sua singola elica ha permesso la dimostrazione di una facile replicazione del filamento in vitro e nelle cellule viventi, e la sua programmabilità ci ha permesso di codificare il processo di progettazione e sviluppare un semplice strumento di progettazione automatizzato basato sul web."

Una nuova scuola di design

Nel software (vedi http://dna.kwonan.com/), realizzato grazie alla collaborazione con BioNano Research Group, Ricerca Autodesk, primo, l'utente seleziona una forma di destinazione, che viene convertito in rappresentazione pixelata. L'utente può caricare un'immagine 2D o disegnare una forma utilizzando un editor di progettazione pixel 2D.

L'utente può facoltativamente aggiungere forcine o anelli di DNA, che possono servire come indicatori di superficie o maniglie per attaccare entità esterne. I pixel vengono convertiti in domini elicoidali del DNA e domini di bloccaggio per eseguire il ripiegamento. Il software genererà quindi strutture e sequenze ssOrigami, e l'utente può visualizzare la struttura molecolare tramite un visualizzatore molecolare incorporato. Finalmente, la sequenza del DNA è assegnata al filamento del ciclo, e la struttura piegata prevista fabbricata in laboratorio e confermata visivamente osservandola sotto un potente microscopio che sono gli occhi della nanotecnologia, microscopia a forza atomica, o AFM.

"Abbiamo davvero aumentato la complessità riducendo al contempo i costi, " ha affermato Yan. "Questo studio espande in modo significativo lo spazio di progettazione e la scalabilità per la nanotecnologia dal basso verso l'alto, e apre le porte alle applicazioni sanitarie".