Un'impressionante serie di forme architettoniche può essere prodotta dai popolari blocchi di costruzione ad incastro noti come LEGOS. Tutto ciò che serve è l'immaginazione di un bambino per costruire una varietà virtualmente infinita di forme complesse.

In un nuovo studio apparso sulla rivista Lettere di revisione fisica , i ricercatori descrivono una tecnica per utilizzare elementi simili a LEGO alla scala di pochi miliardesimi di metro. Ulteriore, sono in grado di persuadere questi elementi di design ad autoassemblarsi, con ogni pezzo LEGO che identifica il suo compagno giusto e si collega in una sequenza precisa per completare la nanostruttura desiderata.

Mentre la tecnica descritta nel nuovo studio è simulata al computer, la strategia è applicabile ai metodi di autoassemblaggio comuni al campo della nanotecnologia del DNA. Qui, l'equivalente di ogni pezzo LEGO è costituito da una nanostruttura fatta di DNA, il famoso deposito molecolare del nostro codice genetico. I quattro nucleotidi che compongono il DNA, comunemente etichettati come A, C, T &G— si attaccano l'uno all'altro secondo una regola affidabile:i nucleotidi A si accoppiano sempre con Ts e i nucleotidi C con Gs.

L'uso delle proprietà di accoppiamento delle basi consente a ricercatori come Petr Sulc, autore corrispondente del nuovo studio, progettare nanostrutture di DNA che possano prendere forma in una provetta, come se avessi il pilota automatico.

"Il numero possibile di modi in cui progettare le interazioni tra gli elementi costitutivi è enorme, qualcosa che viene chiamata 'esplosione combinatoria'", dice Sulc. "È impossibile controllare individualmente ogni possibile progetto di blocco di costruzione e vedere se può autoassemblarsi nella struttura desiderata. Nel nostro lavoro, forniamo un nuovo quadro generale che possa efficacemente cercare lo spazio delle possibili soluzioni e trovare quella che si autoassembla nella forma desiderata ed evita altri assemblaggi indesiderati."

Sulc è ricercatore presso il Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics e la School of Molecular Sciences (SMS) dell'ASU. È affiancato dal suo collega Lukáš Kroc insieme ai collaboratori internazionali Flavio Romano e John Russo dall'Italia.

La nuova tecnica segna un importante trampolino di lancio nel campo in rapido sviluppo della nanotecnologia del DNA, dove le forme autoassemblate stanno trovando la loro strada in qualsiasi cosa, dalle pinzette su nanoscala ai robot del DNA che cacciano il cancro.

Nonostante notevoli progressi, i metodi di costruzione basati sull'autoassemblaggio molecolare hanno dovuto fare i conti con incollaggi involontari del materiale da costruzione. Le sfide crescono con la complessità del progetto previsto. In molti casi, i ricercatori sono perplessi sul motivo per cui certe strutture si autoassemblano da un dato insieme di elementi elementari, poiché i fondamenti teorici di questi processi sono ancora poco compresi.

Per affrontare il problema, Sulc e colleghi hanno inventato un intelligente sistema di codifica dei colori che riesce a limitare gli abbinamenti di base solo a quelli che appaiono nel progetto di progettazione per la struttura finale, con accoppiamenti di base alternati vietati.

Il processo funziona attraverso un algoritmo di ottimizzazione progettato su misura, dove il codice colore corretto per l'autoassemblaggio della forma prevista produce la struttura di destinazione a un minimo di energia, escludendo le strutture concorrenti.

Prossimo, mettono in funzione il sistema, utilizzando i computer per progettare due forme cristalline di grande importanza nel campo della fotonica:il pirocloro e il diamante cubico. Gli autori fanno notare che questo metodo innovativo è applicabile a qualsiasi struttura cristallina.

Per applicare il loro quadro teorico, Sulc ha avviato una nuova collaborazione con i professori Hao Yan e Nick Stephanopoulos, i suoi colleghi di Biodesign e SMS. Insieme, mirano a realizzare sperimentalmente alcune delle strutture che sono stati in grado di progettare nelle simulazioni.

"Mentre l'ovvia applicazione della nostra struttura è nella nanotecnologia del DNA, il nostro approccio è generale, e può essere utilizzato anche, ad esempio, per progettare strutture autoassemblate a partire da proteine, "dice Sulco.