Spostati su Monna Lisa, ecco che arriva il tris.

Circa un anno fa gli scienziati del Caltech nel laboratorio di Lulu Qian, professore assistente di bioingegneria, ha annunciato di aver utilizzato una tecnica nota come origami del DNA per creare tessere che potrebbero essere progettate per autoassemblarsi in nanostrutture più grandi che portano modelli predefiniti. Hanno scelto di realizzare la versione più piccola al mondo dell'iconica Gioconda.

L'impresa è stata impressionante, ma la tecnica aveva un limite simile a quello dei dipinti ad olio di Leonardo da Vinci:una volta creata l'immagine, non poteva essere facilmente cambiato.

Ora, il team Caltech ha fatto un altro balzo in avanti con la tecnologia. Hanno creato nuove tessere più dinamiche, consentendo ai ricercatori di rimodellare le strutture del DNA già costruite. Quando Paul Rothemund (BS '94) di Caltech ha aperto la strada all'origami del DNA più di dieci anni fa, ha usato la tecnica per costruire una faccina sorridente. La squadra di Qian ora può trasformare quel sorriso in un cipiglio, poi, se vogliono, non ti crucciare. E sono andati anche oltre, modellando un microscopico gioco di tris in cui i giocatori posizionano le loro X e O aggiungendo speciali tessere DNA al tabellone.

"Abbiamo sviluppato un meccanismo per programmare le interazioni dinamiche tra complesse nanostrutture di DNA, " dice Qian. "Utilizzando questo meccanismo, abbiamo creato il tabellone da gioco più piccolo al mondo per giocare a tris, dove ogni mossa comporta l'auto-riconfigurazione molecolare per scambiare dentro e fuori centinaia di filamenti di DNA contemporaneamente".

Mettere insieme i pezzi

Quel meccanismo di scambio combina due nanotecnologie del DNA precedentemente sviluppate. Utilizza gli elementi costitutivi dell'uno e il concetto generale dell'altro:piastrelle autoassemblanti, che sono stati usati per creare la piccola Gioconda; e spostamento del filo, che è stato utilizzato dal team di Qian per costruire robot DNA.

Entrambe le tecnologie sfruttano la capacità del DNA di essere programmato attraverso la disposizione delle sue molecole. Ogni filamento di DNA è costituito da una spina dorsale e da quattro tipi di molecole note come basi. Queste basi—adenina, guanina, citosina, e timina, abbreviato in A, T, C, e G—possono essere disposti in qualsiasi ordine, con l'ordine che rappresenta le informazioni che possono essere utilizzate dalle celle, o in questo caso da nanomacchine ingegnerizzate.

La seconda proprietà del DNA che lo rende utile per la costruzione di nanostrutture è che l'A, T, C, e le basi G hanno una naturale tendenza ad accoppiarsi con le loro controparti. La base A si accoppia con T, e C si accoppia con G. Per estensione, qualsiasi sequenza di basi vorrà accoppiarsi con una sequenza complementare. Per esempio, ATTAGCA vorrà accoppiarsi con TAATCGT.

Però, una sequenza può anche accoppiarsi con una sequenza parzialmente corrispondente. Se ATTAGCA e TAATACC fossero messi insieme, le loro porzioni ATTA e TAAT si accoppiano, e le parti non corrispondenti penzolerebbero dalle estremità. Quanto più i due filamenti si completano a vicenda, più sono attratti l'uno dall'altro, e quanto più si legano.

Per immaginare cosa succede nello spostamento del filamento, immagina due persone che si frequentano e hanno diverse cose in comune. Ad Amy piacciono i cani, escursionismo, film, e andare in spiaggia. Ad Adam piacciono i cani, escursionismo, e degustazione di vini. Si legano al loro comune interesse per i cani e le escursioni. Poi entra in scena un'altra persona. A Eddie piacciono i cani, escursionismo, film, e bowling. Amy si rende conto di avere tre cose in comune con Eddie, e solo due in comune con Adam. Amy ed Eddie si ritrovano fortemente attratti l'uno dall'altro, e Adam viene scaricato, come un filamento di DNA spostato.

L'altra tecnologia, piastrelle automontanti, è più semplice da spiegare. Essenzialmente, le piastrelle, sebbene tutti di forma quadrata, sono progettati per comportarsi come i pezzi di un puzzle. Ogni tessera ha il suo posto nell'immagine assemblata, e si adatta solo a quel punto.

Nel creare la loro nuova tecnologia, La squadra di Qian ha dotato le tessere autoassemblanti di abilità di spostamento. Il risultato sono le tessere che possono trovare il loro posto designato in una struttura e poi espellere la tessera che già occupa quella posizione. Mentre Eddie si limitava a legare con una persona, facendo in modo che un altro venga preso a calci sul marciapiede, le tessere sono più simili a un bambino adottato che si connette così fortemente con una nuova famiglia da togliere il titolo di "preferito" alla prole biologica.

"In questo lavoro, abbiamo inventato il meccanismo di spostamento delle piastrelle, che segue il principio astratto dello spostamento del filamento ma si verifica su una scala più ampia tra strutture di origami di DNA, " dice l'ex studente laureato di Qian Philip Petersen (Ph.D. '18), autore principale dello studio. "Questo è il primo meccanismo che può essere utilizzato per programmare comportamenti dinamici in sistemi di più strutture di origami di DNA interagenti".

Giochiamo

Per iniziare il gioco del tris, La squadra di Qian ha mescolato una soluzione di tessere di cartone bianco in una provetta. Una volta che la scheda si è assemblata, i giocatori, a turno, aggiungono X tessere o O tessere alla soluzione. A causa della natura programmabile del DNA di cui sono fatti, le tessere sono state progettate per scivolare in punti specifici sul tabellone, sostituendo le tessere vuote che erano state lì. Una tessera X potrebbe essere progettata per scorrere solo nell'angolo in basso a sinistra del tabellone, Per esempio. I giocatori potevano mettere una X o e O in qualsiasi spazio vuoto che volevano usando le tessere progettate per andare dove volevano. Dopo sei giorni di avvincente gameplay, il giocatore X è emerso vittorioso.

Ovviamente, nessun genitore si precipiterà a comprare ai propri figli un gioco del tris che impiega quasi una settimana per giocare, ma tic-tac-toe non è proprio il punto, dice Grigory Tikhomirov, ricercatore postdottorato senior e co-primo autore dello studio. L'obiettivo è utilizzare la tecnologia per sviluppare nanomacchine che possono essere modificate o riparate dopo che sono già state costruite.

"Quando hai una gomma a terra, probabilmente lo sostituirai invece di acquistare una nuova auto. Tale riparazione manuale non è possibile per le macchine su scala nanometrica, " dice. "Ma con questo processo di spostamento delle piastrelle abbiamo scoperto, diventa possibile sostituire e aggiornare più parti di macchine ingegnerizzate su nanoscala per renderle più efficienti e sofisticate."

La loro carta, intitolato "Riconfigurazione autonoma basata sull'informazione in sistemi di nanostrutture di DNA interagenti, " appare nel numero del 18 dicembre di Comunicazioni sulla natura .