Quando si tratta di abbinare la semplicità a un potenziale creativo sbalorditivo, Il DNA può detenere il premio. Costruito da un alfabeto di soli quattro acidi nucleici, Il DNA fornisce la planimetria da cui è costruita tutta la vita terrena.

Ma la straordinaria versatilità di DNA non finisce qui. I ricercatori sono riusciti a convincere segmenti di DNA a eseguire una serie di trucchi utili. Le sequenze di DNA possono formare circuiti logici per applicazioni nanoelettroniche. Sono stati utilizzati per eseguire sofisticati calcoli matematici, come trovare il percorso ottimale tra più città. E il DNA è la base per una nuova generazione di minuscoli robot e nanomacchine. Misurando migliaia di volte più piccoli di un batterio, tali dispositivi possono svolgere una moltitudine di compiti.

In una nuova ricerca, Hao Yan dell'Arizona State University e i suoi colleghi descrivono un innovativo camminatore del DNA, in grado di percorrere rapidamente una pista preparata. Piuttosto che lento, passi incerti su una superficie, il DNA acrobata fa le capriole a capofitto, coprendo il terreno da 10 a 100 volte più velocemente rispetto ai dispositivi precedenti.

"È emozionante vedere che i camminatori del DNA possono aumentare significativamente la loro velocità ottimizzando la lunghezza e le sequenze del filamento di DNA, lo sforzo collaborativo ha davvero fatto sì che ciò accadesse, " ha detto Yan.

Yan è il professore distinto di chimica e biochimica di Milton D. Glick presso l'ASU e direttore del Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics.

Lo studio è stato condotto da Nils G. Walter, Francis S. Collins Professore universitario di chimica, Biofisica e chimica biologica, direttore fondatore del Single Molecule Analysis in Real-Time (SMART) Center e co-direttore fondatore del Center for RNA Biomedicine presso l'Università del Michigan, e la sua squadra, insieme ai collaboratori del Wyss Institute, il Dana Farber Cancer Institute e il Dipartimento di Chimica Biologica di Harvard (tutti a Boston, Massachusetts).

"Il trucco era far perdere la testa al deambulatore, che è molto più veloce del salto usato prima, proprio come vedresti in un film d'azione di kung fu in cui l'eroe accelera facendo la ruota per catturare il cattivo, "dice Valter.

I miglioramenti nella velocità e nella locomozione mostrati dal nuovo deambulatore dovrebbero incoraggiare ulteriori innovazioni nel campo della nanotecnologia del DNA.

I risultati del gruppo appaiono nel numero online avanzato della rivista Nanotecnologia della natura .

Costruire con il DNA

I nanoarchitetti costruiscono le loro strutture del DNA, motori e circuiti che utilizzano lo stesso principio di base della Natura. I quattro nucleotidi, etichettato A, T, C e G, si legano tra loro secondo una regola semplice e prevedibile:Cs si accoppia sempre con Gs e Come sempre si accoppia con Ts. Così, lunghezze variabili di DNA possono essere programmate per autoassemblarsi, scattare insieme per formare una varietà illimitata di nanostrutture bi e tridimensionali. Con sapiente raffinatezza, i ricercatori sono stati in grado di dotare le loro nanocreazioni un tempo statiche di proprietà dinamiche.

Una delle applicazioni più innovative della nanotecnologia del DNA è stata la progettazione di dispositivi robotici a piedi composti da filamenti di DNA che si muovono successivamente in modo graduale lungo un percorso. Il metodo che consente ai segmenti di DNA di attraversare un'area definita è noto come spostamento del filamento.

Il processo funziona così:una gamba del dispositivo robotico è il filamento di DNA 1, che è legato al filamento complementare 2, attraverso il normale accoppiamento di basi. Il filo 1 contiene un ulteriore, sequenza spaiata che penzola dalla sua fine, che è noto come il toehold.

Prossimo, Si incontra il filamento 3 di DNA. Questo filamento è complementare al filamento di DNA 1 e include una sequenza di presa complementare al filamento di DNA 1. Una volta che il punto di contatto del filamento 3 si lega con il punto di contatto del filamento 1, inizia spostando sequenzialmente ogni filamento 2 nucleotide, uno per uno, finché il filamento 2 non è stato completamente sostituito dal filamento 3. Il filamento 2 si dissocia quindi dal filamento 1 e il processo può ricominciare. (Vedi figura 1).

Spostamento del filo mediato dalla presa, che costituisce la base di altri nanodispositivi a DNA, allows DNA structures to move from one complementary foothold on the walking surface to the next. As each DNA strand is displaced by a new strand, the nano-creature takes a step forward.

Race walking

Successful DNA walkers of various kinds have been designed and have demonstrated the ability to ferry nano-sized cargo from place to place. Fino ad ora, però, the strand displacement reactions they rely on have been slow, generally requiring several minutes to move a short distance. This is much slower than naturally occurring processes in living systems like protein motors, which can perform feats of dissociation similar to strand displacement in much faster time frames.

While theoretical calculations suggest that individual operations by such nanodevices should occur in seconds or less, in practice, such operations typically require minutes or even hours. (A recently designed cargo-sorting walker for example required 5 minutes for each step, with foothold spacings just 6 nm apart. This speed was on a par with similar strand-displacement walkers.)

Nel nuovo studio, researchers sought to optimize this process to see how quickly a walker designed with speed in mind could move. The limiting factor in terms of speed did not appear to be the strand displacement process itself, but rather the lack of fine-tuned optimization in the overall walker design.

The team redesigned their walker for maximum speed and used a fluorescent imaging technique known as smFRET (for single-molecule fluorescence resonance imaging transfer) to chart the DNA walker's progress and evaluate its subtle kinetic properties.

By altering the lengths of toehold sequences and branching migration points, the stepping rate could be keenly optimized, making for a briskly moving nanorobot that left competitors in the dust, boasting stepping rates a full order of magnitude faster than previous DNA walkers.

Freewheeling nanorobot

Part of the robot's advantage over its competitors is due to its unusual technique of locomotion. Rather than simply stepping from one surface foothold to the next, the acrobatic walker moves head over heels in a cartwheel fashion, while remaining securely bound to at least one foothold at all times.

The stability of the double-stranded sequences anchoring the base of the robot to the track surface, while the free toehold searches out the next complementary sequence, may be one factor improving the walker's speed. The cartwheeling design also allows strand displacement to sequentially proceed in a direction away from the foothold surface, which improves efficiency.

Once the walker was optimized, super-resolved single particle tracking was used to observe the device's movement over a 2-D surface studded with footholds for the walker, covering a range of up to 2 microns. The best walker optimized in the study was able to search ~43 foothold sites per minute with a stepping distance of ~ 10nm. Strand displacement occurred at rates of about a tenth of a second. Analysis suggests the device can take hundreds of steps without dissociating.

Future steps

While still lagging behind naturally occurring protein reactions, the optimized cartwheeling walker offers a marked advancement in performance, representing an order of magnitude improvement over earlier versions, while not consuming any fuel. Borrowing further insights from natural systems may allow dynamical DNA devices like the walker to accelerate even more in the future by converting chemical energy into directed speed.

The study underlines the opportunities for optimization of a range of DNA nanostructures, considerably enhancing their speed and versatility.