Proprio come la macchina a vapore ha posto le basi per la rivoluzione industriale, e i microtransistor hanno dato il via all'era digitale, i dispositivi su scala nanometrica realizzati con il DNA stanno aprendo una nuova era nella ricerca biomedica e nella scienza dei materiali.

Il giornale Scienza descrive gli usi emergenti dei dispositivi meccanici del DNA in un articolo "Prospettiva" di Khalid Salaita, un professore di chimica alla Emory University, e Aaron Blanchard, uno studente laureato presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica di Wallace H. Coulter, un programma congiunto del Georgia Institute of Technology e Emory.

L'articolo annuncia un nuovo campo, che Blanchard soprannominò "meccanotecnologia del DNA, " per ingegnerizzare macchine del DNA che generano, trasmettere e rilevare forze meccaniche su scala nanometrica.

"Per molto tempo, "Salita dice, "gli scienziati sono stati bravi a creare micro dispositivi, centinaia di volte più piccolo della larghezza di un capello umano. È stato più difficile realizzare nano dispositivi funzionali, migliaia di volte più piccolo di quello. Ma usare il DNA come parti componenti rende possibile costruire nano dispositivi estremamente elaborati perché le parti del DNA si autoassemblano".

DNA, o acido desossiribonucleico, immagazzina e trasmette l'informazione genetica come un codice composto da quattro basi chimiche:adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T). Le basi del DNA hanno un'affinità naturale per accoppiarsi tra loro:A con T e C con G. I filamenti di DNA sintetici possono essere combinati con i filamenti di DNA naturali dei batteriofagi. Spostandoti nella sequenza di lettere sui fili, i ricercatori possono far legare insieme i filamenti di DNA in modi che creano forme diverse. Anche la rigidità dei filamenti di DNA può essere facilmente regolata, così rimangono dritti come un pezzo di spaghetti secchi o si piegano e si arrotolano come spaghetti bolliti.

L'idea di utilizzare il DNA come materiale da costruzione risale agli anni '80, quando il biochimico Nadrian Seeman ha aperto la strada alla nanotecnologia del DNA. Questo campo utilizza filamenti di DNA per realizzare dispositivi funzionali su scala nanometrica. La capacità di rendere questi precisi, le strutture tridimensionali nascevano come una novità, soprannominato DNA origami, risultando in oggetti come una mappa microscopica del mondo e, più recentemente, il più piccolo gioco del tic-tac-toe, giocato su una tavola DNA.

Il lavoro su nuovi oggetti continua a fornire nuove informazioni sulle proprietà meccaniche del DNA. Queste intuizioni stanno guidando la capacità di creare macchine del DNA che generano, trasmettere e percepire le forze meccaniche.

"Se metti insieme questi tre componenti principali dei dispositivi meccanici, inizi a ottenere martelli, ingranaggi e ruote e puoi iniziare a costruire nano macchine, Salaita afferma. “La meccanotecnologia del DNA amplia le opportunità di ricerca che coinvolgono la biomedicina e la scienza dei materiali. È come scoprire un nuovo continente e aprire nuovi territori da esplorare".

I potenziali usi di tali dispositivi includono dispositivi per la somministrazione di farmaci sotto forma di nanocapsule che si aprono quando raggiungono un sito target, nano computer e nano robot che lavorano su linee di assemblaggio su nanoscala.

L'uso dell'autoassemblaggio del DNA da parte dell'industria genomica, per la ricerca e la diagnostica biomedica, sta spingendo ulteriormente la meccanotecnologia del DNA, rendendo la sintesi del DNA poco costosa e facilmente disponibile. "Potenzialmente chiunque può immaginare un progetto di nano-macchina e trasformarlo in realtà, " dice Salaita.

Fa l'esempio della creazione di un paio di nano forbici. "Sai che hai bisogno di due aste rigide e che devono essere collegate da un meccanismo a perno, ", dice. "Armeggiare con alcuni software open-source, puoi creare questo disegno e poi andare su un computer ed effettuare un ordine per sintetizzare il tuo disegno in modo personalizzato. Riceverai il tuo ordine in un tubo. Metti semplicemente il contenuto del tubo in una soluzione, lascia che il tuo dispositivo si assembla da solo, e poi usa un microscopio per vedere se funziona come pensavi."

Il laboratorio di Salaita è uno dei soli 100 al mondo che lavorano all'avanguardia nella meccanotecnologia del DNA. Lui e Blanchard hanno sviluppato il motore sintetico a base di DNA più potente al mondo, che è stato recentemente riportato su Nano Letters.

Un obiettivo chiave della ricerca di Salaita è la mappatura e la misurazione di come le cellule spingono e tirano per saperne di più sulle forze meccaniche coinvolte nel sistema immunitario umano.

Salaita ha sviluppato i primi misuratori di forza del DNA per le cellule, fornendo la prima vista dettagliata delle forze meccaniche che una molecola applica a un'altra molecola attraverso l'intera superficie di una cellula vivente. La mappatura di tali forze può aiutare a diagnosticare e curare malattie legate alla meccanica cellulare. Cellule cancerogene, ad esempio, si muovono in modo diverso dalle cellule normali, e non è chiaro se tale differenza sia una causa o un effetto della malattia.

Nel 2016, Salaita ha usato questi misuratori di forza del DNA per fornire la prima prova diretta delle forze meccaniche delle cellule T, le guardie giurate del sistema immunitario. Il suo laboratorio ha mostrato come le cellule T usano una sorta di "stretta di mano" meccanica o di strattone per verificare se una cellula che incontrano è un amico o un nemico. Questi strattoni meccanici sono fondamentali per la decisione di una cellula T di attivare una risposta immunitaria.

"Il tuo sangue contiene milioni di diversi tipi di cellule T, e ogni cellula T si evolve per rilevare un determinato agente patogeno o agente estraneo, " Spiega Salaita. "Le cellule T campionano costantemente le cellule in tutto il corpo utilizzando questi strattoni meccanici. Si legano e attirano le proteine ​​sulla superficie di una cellula e, se il legame è forte, questo è un segnale che la cellula T ha trovato un agente estraneo".

Il laboratorio di Salaita si è basato su questa scoperta in un articolo recentemente pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (PNAS) . Il lavoro condotto dallo studente laureato in chimica di Emory, Rong Ma, ha affinato la sensibilità dei misuratori di forza del DNA. Non solo possono rilevare questi strattoni meccanici con una forza così leggera da pesare quasi un miliardesimo di una graffetta, possono anche catturare prove di strattoni brevi come un battito di ciglia.

La ricerca fornisce uno sguardo senza precedenti sulle forze meccaniche coinvolte nel sistema immunitario. "Abbiamo dimostrato che, oltre ad essere evoluto per rilevare alcuni agenti estranei, Le cellule T applicheranno anche brevissimi strattoni meccanici ad agenti estranei che sono quasi compatibili, " Salaita dice. "La frequenza e la durata del tiro dipende da quanto strettamente l'agente estraneo è abbinato al recettore delle cellule T".

Il risultato fornisce uno strumento per prevedere quanto forte sarà la risposta immunitaria di una cellula T. "Speriamo che questo strumento possa essere utilizzato alla fine per mettere a punto le immunoterapie per i singoli malati di cancro, "Salita dice. "Potrebbe aiutare le cellule T ingegnerizzate a inseguire particolari cellule tumorali".