Come creare nanogabbie, cioè., oggetti robusti e stabili con vuoti regolari e proprietà regolabili? Brevi segmenti di molecole di DNA sono candidati perfetti per la progettazione controllabile di nuove strutture complesse. Fisici dell'Università di Vienna, l'Università Tecnica di Vienna, il Jülich Research Center in Germania e la Cornell University negli Stati Uniti, hanno studiato metodologie per sintetizzare dendrimeri a base di DNA in laboratorio e per prevedere il loro comportamento utilizzando simulazioni al computer dettagliate. I loro risultati sono pubblicati in Nanoscala .

Le nanogabbie sono costrutti molecolari molto interessanti, dal punto di vista sia della scienza fondamentale che delle possibili applicazioni. Le cavità di questi oggetti di dimensioni nanometriche possono essere impiegate come portatori di molecole più piccole, che è di fondamentale importanza in medicina per la somministrazione di farmaci o geni negli organismi viventi. Questa idea ha riunito ricercatori di vari campi interdisciplinari che hanno studiato i dendrimeri come candidati promettenti per la creazione di tali nano-vettori. La loro architettura ad albero e la loro crescita graduale con unità autosimili ripetute si traducono in dendrimeri contenenti cavità, oggetti cavi con design controllabile. Tuttavia, decenni di ricerca hanno dimostrato che un vasto numero di diversi tipi di dendrimeri sperimenta il ripiegamento all'indietro dei rami esterni con generazioni di dendrimeri in crescita, dando luogo ad una maggiore densità di costituenti all'interno della molecola. L'effetto del ripiegamento all'indietro è potenziato dall'aggiunta di sale nella soluzione, per cui i dendrimeri flessibili subiscono un restringimento significativo, diventando oggetti compatti senza spazi vuoti al loro interno.

Il team di collaboratori era composto da Nataša Adžić e Christos Likos (Università di Vienna), Clemens Jochum e Gerhard Kahl (TU Vienna), Emmanuel Stiakakis (Jülich), Thomas Derrien e Dan Luo (Cornell). I ricercatori hanno trovato un modo per creare dendrimeri abbastanza rigidi da prevenire il ripiegamento all'indietro dei bracci esterni anche nel caso di generazioni ad alta ramificazione, conservando vuoti regolari al loro interno. Inoltre, le loro nuove macromolecole sono caratterizzate da una notevole resistenza ai sali aggiunti:hanno dimostrato che la morfologia e le caratteristiche conformazionali di questi sistemi rimangono inalterate anche dopo l'aggiunta di sale anche ad alta concentrazione. Le nanogabbie che hanno creato, in laboratorio e studiati computazionalmente sono dendrimeri basati sul DNA, o cosiddetto, DNA dendrimero (DL-DNA). L'elemento costitutivo di cui sono composti è un'unità di DNA a doppio filamento a forma di Y, una struttura a tre braccia costituita da DNA a doppio filamento (ds-DNA), formato tramite l'ibridazione di tre catene di DNA a singolo filamento (ss-DNA), ognuna delle quali ha sequenze parzialmente complementari alle altre due. Ogni braccio è composto da 13 coppie di basi e un'estremità appiccicosa a singolo filamento con quattro nucleobasi che funge da colla. Mentre un singolo Y-DNA corrisponde alla prima generazione di dendrimeri, l'attaccamento di ulteriori elementi Y-DNA produce DL-DNA di generazioni superiori. Il dendrimero risultante è un insieme macromolecolare carico e cavo con architettura ad albero. A causa della rigidità del dsDNA, i rami del DL-DNA sono rigidi in modo che l'intera molecola sia rigida. Poiché il DNA è carico, la repulsione elettrostatica aumenta la rigidità della molecola.

DL-DNA molecules have been assembled in the laboratory by the Jülich and Cornell partners with remarkable control and sub-nanometer precision through programmable sticky-end cohesions. Their step-wise growth is highly controllable, unidirectional and non-reversible. This property is of high importance, as it has been shown that DNA-based dendrimers have been envisioned to play a promising role in developing nanoscale-barcodes, DNA-based vaccine technologies, as well as a structural probes involving multiplexed molecular sensing processes. Sizes, shapes as well as additional conformational details invisible to the experimentalists, such as the size of voids and the degree of branches back-folding, have been analyzed by computer simulations in Vienna. To describe the complex structure of DNA units, the group used a simple monomer-resolved model with interactions carefully chosen to mimic the equilibrium properties of DNA in physiological solution. The excellent agreement obtained between experiments and simulations for the dendrimer characteristics validates the theoretical models employed and paves the way for further investigation of the nanocages' properties and their applications as functional and smart nanocarriers and as building blocks for  engineering biocompatible artificial materials.