Nell'ultimo decennio, i ricercatori hanno lavorato per creare materiali e dispositivi su scala nanometrica utilizzando il DNA come materiali da costruzione attraverso un processo chiamato "DNA origami".

Un singolo lungo filamento di DNA "impalcatura" può essere piegato in forme specifiche da centinaia di filamenti più corti, Per esempio. L'ordine delle basi in ogni filamento corto agisce come un progetto che determina il DNA finale dell'impalcatura, Forma 3D.

Gli scienziati sperano di utilizzare questo metodo per sviluppare dispositivi molecolari che funzionino come macchine su scala nanometrica o dispositivi per la somministrazione di farmaci, marcatori per l'imaging medico o la ricerca biologica, e componenti per dispositivi elettronici.

Scaffold lunghi di DNA - composti da più di 10, 000 unità strutturali del DNA chiamate "nucleotidi" - sono rimaste difficili da produrre e manipolare, che finora ha limitato le dimensioni delle strutture di origami. Si è anche dimostrato difficile studiare la struttura 3-D di queste nanoparticelle nel loro naturale, stato flessibile.

Ora, per la prima volta, un team di ricercatori del Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) e dell'Ohio State University ha generato immagini 3D da 129 singole molecole di particelle flessibili di origami di DNA. Il loro lavoro fornisce la prima verifica sperimentale del modello teorico di DNA origami.

I metodi utilizzati qui potrebbero essere facilmente applicati ad altri tipi di strutture di origami di DNA fabbricate, e contribuire a informare la progettazione e l'ottimizzazione delle strutture future. Il loro lavoro è stato recentemente pubblicato su Comunicazioni sulla natura .

Il team di ricerca si è concentrato sulle strutture del DNA modellate su un meccanismo di base chiamato "Bennett linkage, " che è una struttura 3-D costituita da una catena di quattro aste collegate da cerniere. Questo crea una forma quadrilatera inclinata in cui le cerniere non sono parallele o in linea. Usando i collegamenti Bennett come elementi costitutivi, è possibile creare espandibili, strutture utili, come supporti per tende che si montano rapidamente.

Le strutture degli origami del DNA sono molto difficili da studiare perché sono molto flessibili e delicate, e ogni molecola ha una forma tridimensionale unica. Questa variabilità rende i metodi di imaging convenzionali, come la microscopia crioelettronica a particella singola (crio-EM), meno adatto. Cryo-EM coinvolge un'ampia "media" computerizzata da migliaia a centinaia di migliaia di molecole simili. Di conseguenza, le informazioni sulle porzioni flessibili delle strutture origami del DNA possono essere facilmente mediate, fornendo un quadro incompleto della struttura.

I ricercatori si sono affidati a una tecnica sviluppata presso la Molecular Foundry di Berkeley Lab, una struttura di ricerca per la scienza su nanoscala, per immaginare le singole molecole che compongono queste strutture. Il metodo, chiamata tomografia elettronica a particelle individuali (IPET), scatta foto di una molecola bersaglio da più angolazioni di visualizzazione, e poi combina queste immagini per creare un 3-D, rendering dell'intera molecola, simile a come funziona una scansione di tomografia computerizzata (TC) medica.

I ricercatori hanno catturato 129 immagini 3D, con una risoluzione da 6 a 14 nanometri, che ha permesso loro di estrarre informazioni sulla dinamica e la flessibilità delle strutture di origami del DNA.

"Le ricostruzioni hanno confermato che i collegamenti Bennett hanno un alto grado di diversità strutturale, " ha detto Gang "Gary" Ren, scienziato del personale presso l'Imaging Facility della Molecular Foundry e co-leader dello studio.

Un'analisi geometrica di queste ricostruzioni mostra che le conformazioni dei meccanismi di legame di Bennett sono in buon accordo con i modelli teorici. Quando i collegamenti sono vicini al loro stato "aperto", la "cerniera" è quasi completamente estesa. Quando le strutture sono più vicine alla loro conformazione "chiusa", le strutture assumono forme diverse e sono estremamente flessibili e distorte.

"Sulla base di questi risultati e delle visualizzazioni del modello dei collegamenti Bennett, possiamo proporre una nuova strategia per migliorare il nostro controllo dei legami Bennett in grandi scaffold di DNA, " ha detto Ren. "L'approccio include la riprogettazione delle sequenze di DNA vicino alle articolazioni per irrigidire la struttura e impedirne la distorsione vicino a questa articolazione".