Attraverso una tecnica nota come DNA origami, gli scienziati hanno creato il più veloce, nanomotore a DNA più persistente di sempre. Angewandte Chemie pubblicato i risultati, che forniscono un modello per ottimizzare la progettazione di motori su scala nanometrica, centinaia di volte più piccoli della tipica cellula umana.

"I motori su scala nanometrica hanno un enorme potenziale per le applicazioni nel biorilevamento, nella costruzione di celle sintetiche e anche per la robotica molecolare, "dice Khalid Salaita, un autore senior dell'articolo e un professore di chimica alla Emory University. "L'origami del DNA ci ha permesso di armeggiare con la struttura del motore e scoprire i parametri di progettazione che ne controllano le proprietà".

Il nuovo motore DNA è a forma di bastoncino e utilizza il carburante RNA per rotolare in modo persistente in linea retta, senza intervento umano, a velocità fino a 100 nanometri al minuto. È fino a 10 volte più veloce dei precedenti motori DNA.

Salaita fa anche parte della facoltà del Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering, un programma congiunto del Georgia Institute of Technology e Emory. Il documento è una collaborazione tra il laboratorio Salaita e Yonggang Ke, assistente professore presso la Emory's School of Medicine e il Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering.

"Il nostro motore DNA ingegnerizzato è veloce, "Ke dice, "ma abbiamo ancora molta strada da fare per raggiungere la versatilità e l'efficienza dei motori biologici della natura. In definitiva, l'obiettivo è realizzare motori artificiali che corrispondano alla raffinatezza e alla funzionalità delle proteine ​​che spostano il carico nelle cellule e consentono loro di svolgere varie funzioni".

Facendo cose con il DNA, soprannominato DNA origami dopo il tradizionale mestiere di piegatura della carta giapponese, sfrutta la naturale affinità per le basi del DNA A, G, C e T per accoppiarsi tra loro. 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 dell'origami del DNA può essere facilmente regolata, così rimangono dritti come un pezzo di spaghetti secchi o si piegano e si arrotolano come spaghetti lessati.

Potenza di calcolo crescente, e l'uso dell'autoassemblaggio del DNA per l'industria genomica, hanno notevolmente avanzato il campo degli origami del DNA negli ultimi decenni. I potenziali usi per i motori a DNA includono dispositivi per la somministrazione di farmaci sotto forma di nanocapsule che si aprono quando raggiungono un sito bersaglio, nanocomputer e nanorobot che lavorano su catene di montaggio su nanoscala.

"Queste applicazioni possono sembrare fantascienza ora, ma il nostro lavoro è aiutarli ad avvicinarli alla realtà, "dice Alisina Bazrafshan, un dottorato di ricerca in Emory candidato e primo autore del nuovo articolo.

Una delle maggiori sfide dei motori a DNA è il fatto che le regole che governano il movimento su scala nanometrica sono diverse da quelle per gli oggetti che gli umani possono vedere. I dispositivi su scala molecolare devono farsi strada attraverso una raffica costante di molecole. Queste forze possono causare la deriva casuale di dispositivi così piccoli come granelli di polline che galleggiano sulla superficie di un fiume, un fenomeno noto come moto browniano.

La viscosità dei liquidi ha anche un impatto molto maggiore su qualcosa di così piccolo come una molecola, così l'acqua diventa più simile alla melassa.

Molti motori del DNA precedenti "camminano" con un movimento meccanico gamba su gamba. Il problema è che le versioni a due gambe tendono ad essere intrinsecamente instabili. I motori a piedi con più di due gambe acquisiscono stabilità, ma le gambe in più li rallentano.

I ricercatori di Emory hanno risolto questi problemi progettando un motore DNA a forma di bastoncino che rotola. La canna, o "telaio" del motore è costituito da 16 filamenti di DNA legati insieme in una pila quattro per quattro per formare un raggio con quattro lati piatti. Trentasei frammenti di DNA sporgono da ciascuna faccia dell'asta, come piccoli piedi.

Per alimentare il suo movimento, il motore è posto su una traccia di RNA, un acido nucleico con coppie di basi complementari alle coppie di basi del DNA. L'RNA tira i piedi del DNA su una faccia del motore e li lega alla pista. Un enzima che prende di mira solo l'RNA legato al DNA distrugge rapidamente l'RNA legato. Che fa girare il motore, mentre i piedi del DNA sulla faccia successiva del motore vengono tirati in avanti dalla loro attrazione per l'RNA.

Il motore rotante del DNA forgia un percorso persistente, quindi continua a muoversi in linea retta, in contrasto con il movimento più casuale dei motori a DNA che camminano. Il movimento di rollio aumenta anche la velocità del nuovo motore del DNA:può percorrere la lunghezza di una cellula staminale umana entro due o tre ore. I precedenti motori a DNA avrebbero impiegato circa un giorno per coprire la stessa distanza, e la maggior parte non ha la tenacia per arrivare così lontano.

Una delle sfide più grandi è stata misurare la velocità del motore su scala nanometrica. Questo problema è stato risolto aggiungendo tag fluorescenti su entrambe le estremità del motore del DNA e ottimizzando le condizioni di imaging su un microscopio fluorescente.

Attraverso tentativi ed errori, i ricercatori hanno determinato che una forma rigida dell'asta era ottimale per muoversi in linea retta e che 36 piedi su ciascuna faccia del motore fornivano una densità ottimale per la velocità.

"Abbiamo fornito una piattaforma sintonizzabile per motori origami DNA che altri ricercatori possono utilizzare per progettare, testare e ottimizzare i motori per far avanzare ulteriormente il campo, " dice Bazrafshan. "Il nostro sistema consente di testare gli effetti di tutti i tipi di variabili, come la forma e la rigidità del telaio e il numero e la densità delle gambe per mettere a punto il tuo design."

Ad esempio, quali variabili darebbero origine a un motore a DNA che si muove in circolo? O un motore che gira per aggirare le barriere? O uno che si trasforma in risposta a un particolare obiettivo?

"Speriamo che altri ricercatori elaborino altri progetti creativi basati su questi risultati, " dice Bazrafshan.