Un team di scienziati dell'ASU e della Shanghai Jiao Tong University (SJTU) guidato da Hao Yan, Milton Glick Professor dell'ASU presso la School of Molecular Sciences, e direttore del Center for Molecular Design and Biomimetics dell'ASU Biodesign Institute, ha appena annunciato la creazione di un nuovo tipo di strutture meta-DNA che apriranno i campi dell'optoelettronica (inclusa l'archiviazione e la crittografia delle informazioni) e della biologia sintetica.

Questa ricerca è stata pubblicata oggi in Chimica della natura —in effetti il ​​concetto di autoassemblaggio del meta-DNA può trasformare totalmente il mondo microscopico della nanotecnologia strutturale del DNA.

È risaputo che la natura prevedibile dell'accoppiamento di basi Watson-Crick e le caratteristiche strutturali del DNA hanno consentito di utilizzare il DNA come un versatile elemento costitutivo per progettare strutture e dispositivi sofisticati su nanoscala.

"Una pietra miliare nella tecnologia del DNA è stata sicuramente l'invenzione dell'origami del DNA, dove un lungo DNA a singolo filamento (ssDNA) è piegato in forme designate con l'aiuto di centinaia di brevi filamenti di DNA in fiocco, " ha spiegato Yan. "Tuttavia è stato difficile assemblare architetture di DNA di dimensioni maggiori (da micron a millimetri) che fino a poco tempo fa hanno limitato l'uso di origami di DNA". Le nuove strutture di dimensioni di micron sono dell'ordine della larghezza di un capello umano che è 1000 volte più grande delle nanostrutture di DNA originali.

Da quando ha abbellito la copertina di Scienza Magazine nel 2011 con le loro eleganti nanostrutture DNA origami, Yan e collaboratori hanno lavorato instancabilmente, sfruttando l'ispirazione della natura, cercando di risolvere problemi umani complessi.

"In questa ricerca attuale abbiamo sviluppato una strategia versatile di "meta-DNA" (M-DNA) che ha permesso a varie strutture di DNA di dimensioni da sub-micrometriche a micrometriche di autoassemblarsi in un modo simile a come semplici filamenti di DNA corti si autoassemblano al livello su scala nanometrica, " ha detto Yan.

Il gruppo ha dimostrato che una nanostruttura di origami di DNA a fascio di 6 eliche in scala sub-micrometrica (meta-DNA) potrebbe essere utilizzata come analogo ingrandito del DNA a singolo filamento (ssDNA), e che due meta-DNA contenenti "coppie di meta-basi" complementari potrebbero formare doppie eliche con manualità programmata e passi elicoidali.

Utilizzando blocchi di costruzione del meta-DNA hanno costruito una serie di architetture di DNA su scala da sub-micrometrica a micrometrica, comprese le giunzioni meta-multibraccio, poliedri 3-D, e vari reticoli 2-D/3-D. Hanno anche dimostrato una reazione di spostamento gerarchico del filamento sul meta-DNA per trasferire le caratteristiche dinamiche del DNA al meta-DNA.

Con l'aiuto dell'assistente professore Petr Sulc (SMS) hanno utilizzato un modello computazionale a grana grossa del DNA per simulare la struttura dell'M-DNA a doppio filamento e per comprendere le diverse rese di strutture destrorse e mancine ottenute .

Ulteriore, semplicemente modificando la flessibilità locale del singolo M-DNA e le loro interazioni, sono stati in grado di costruire una serie di strutture di DNA su scala submicrometrica o micron da 1D a 3-D con un'ampia varietà di forme geometriche, comprese le meta-giunzioni, tessere meta-doppio crossover (M-DX), tetraedri, ottaedri, prismi, e sei tipi di reticoli ravvicinati.

Nel futuro, circuiti più complessi, motori molecolari, e i nanodispositivi potrebbero essere progettati razionalmente utilizzando M-DNA e utilizzati in applicazioni relative al biosensore e al calcolo molecolare. Questa ricerca consentirà la creazione di strutture di DNA dinamiche su scala micron, che sono riconfigurabili dopo stimolazione, significativamente più fattibile.

Gli autori prevedono che l'introduzione di questa strategia M-DNA trasformerà la nanotecnologia del DNA dal nanometro alla scala microscopica. Ciò creerà una gamma di complesse strutture statiche e dinamiche su scala sub-micrometrica e micron che consentiranno molte nuove applicazioni.

Per esempio, queste strutture possono essere utilizzate come impalcatura per modellare componenti funzionali complessi che sono più grandi e più complessi di quanto si pensasse in precedenza possibile. Questa scoperta può anche portare a comportamenti più sofisticati e complessi che imitano cellule o componenti cellulari con una combinazione di diverse reazioni di spostamento gerarchico del filamento basate su M-DNA.