Illustrazione di un nanotubo di carbonio a parete singola avvolto da DNA. Credito:Benjamin Lambert, EPFL
Il Premio Nobel per la Chimica 2018 è andato a tre scienziati che hanno sviluppato il metodo che ha cambiato per sempre l'ingegneria delle proteine:l'evoluzione diretta. Imitando l'evoluzione naturale, l'evoluzione diretta guida la sintesi di proteine con funzioni migliorate o nuove.
Primo, la proteina originale viene mutata per creare una raccolta di varianti di proteine mutanti. Vengono selezionate le varianti proteiche che mostrano funzioni migliorate o più desiderabili. Queste proteine selezionate vengono quindi ancora una volta mutate per creare un'altra raccolta di varianti proteiche per un altro giro di selezione. Questo ciclo si ripete fino ad un finale, la proteina mutata si evolve con prestazioni ottimizzate rispetto alla proteina originale.
Ora, scienziati del laboratorio di Ardemis Boghossian all'EPFL, sono stati in grado di utilizzare l'evoluzione diretta per costruire non proteine, ma nanoparticelle sintetiche. Queste nanoparticelle vengono utilizzate come biosensori ottici:minuscoli dispositivi che utilizzano la luce per rilevare molecole biologiche nell'aria, acqua, o sangue. I biosensori ottici sono ampiamente utilizzati nella ricerca biologica, sviluppo di farmaci, e diagnostica medica, come il monitoraggio in tempo reale di insulina e glucosio nei diabetici.
"La bellezza dell'evoluzione diretta è che possiamo ingegnerizzare una proteina senza nemmeno sapere come la sua struttura sia correlata alla sua funzione, " dice Boghossian. "E non abbiamo nemmeno queste informazioni per il vasto, stragrande maggioranza delle proteine."
Principio generale dell'approccio dell'evoluzione diretta applicato ai complessi DNA-SWCNT di nanoparticelle. Il complesso di partenza è un DNA-SWCNT con un segnale ottico debole. Questo si evolve attraverso l'evoluzione diretta:(1) mutazione casuale della sequenza del DNA; (2) avvolgimento degli SWCNT con il DNA e screening del segnale ottico del complesso; (3) selezione dei complessi DNA-SWCNT che presentano un segnale ottico migliorato. Dopo diversi cicli di evoluzione, possiamo evolvere complessi DNA-SWCNT che mostrano un comportamento ottico migliorato. Credito:Benjamin Lambert (EPFL)
Il suo gruppo ha usato l'evoluzione diretta per modificare le proprietà optoelettroniche dei nanotubi di carbonio a parete singola avvolti da DNA (o, DNA-SWCNT, come sono abbreviati), che sono tubi di dimensioni nanometriche di atomi di carbonio che assomigliano a fogli arrotolati di grafene ricoperti da DNA. Quando rilevano il loro obiettivo, i DNA-SWCNT emettono un segnale ottico che può penetrare attraverso fluidi biologici complessi, come sangue o urina.
Utilizzando un approccio di evoluzione diretta, Il team di Boghossian è stato in grado di progettare nuovi DNA-SWCNT con segnali ottici che sono aumentati fino al 56% e lo hanno fatto in soli due cicli di evoluzione.
"La maggior parte dei ricercatori in questo campo si limita a esaminare grandi librerie di materiali diversi nella speranza di trovarne uno con le proprietà che stanno cercando, " dice Boghossian. "Nei nanosensori ottici, cerchiamo di migliorare proprietà come la selettività, luminosità, e sensibilità. Applicando l'evoluzione diretta, forniamo ai ricercatori un approccio guidato alla progettazione di questi nanosensori".
Lo studio mostra che quella che è essenzialmente una tecnica di bioingegneria può essere utilizzata per ottimizzare in modo più razionale le proprietà optoelettroniche di alcuni nanomateriali. Boghossian spiega:"Gli ambiti come la scienza dei materiali e la fisica sono per lo più preoccupati di definire le relazioni struttura-funzione del materiale, rendendo i materiali che mancano di queste informazioni difficili da progettare. Ma questo è un problema che la natura ha risolto miliardi di anni fa - e, negli ultimi decenni, anche i biologi l'hanno affrontato. Penso che il nostro studio dimostri che come scienziati dei materiali e fisici, possiamo ancora imparare alcune lezioni pragmatiche dai biologi".
