Solo nella medicina del cancro i medici mirano ad attaccare e uccidere legioni di cellule dello stesso paziente. Ma le cellule astanti sane spesso rimangono intrappolate in un mortale fuoco incrociato, ecco perché i trattamenti contro il cancro possono causare gravi effetti collaterali nei pazienti.

I ricercatori cercano medicine più intelligenti per colpire solo i cattivi. Una speranza è che piccoli robot sulla scala di un miliardesimo di metro possano venire in soccorso, somministrare farmaci direttamente alle cellule cancerose canaglia. Per realizzare questi nanorobot, i ricercatori in Europa si stanno rivolgendo ai mattoni fondamentali della vita:il DNA.

Oggi, i robot sono disponibili in tutte le forme e dimensioni. Uno dei robot industriali più potenti può sollevare auto di peso superiore a due tonnellate. Ma materiali come il silicio non sono così adatti alle scale più piccole.

Mentre puoi creare modelli davvero piccoli in silicone solido, non puoi davvero trasformarlo in dispositivi meccanici sotto i 100 nanometri, dice il professor Kurt Gothelf, chimico e nanotecnologo del DNA presso l'Università di Aarhus in Danimarca. È qui che entra in gioco il DNA. "Il diametro dell'elica del DNA è di soli due nanometri, " dice il Prof. Gothelf. Un globulo rosso è circa 6, 000 nanometri di diametro.

Lego

Dott.ssa Tania Patino, un nanotecnologo presso l'Università di Roma in Italia, dice che il DNA è come i Lego. "Hai questi minuscoli mattoncini e puoi metterli insieme per creare qualsiasi forma tu voglia, " ha spiegato. Per continuare l'analogia, Il DNA è disponibile in quattro blocchi di colore diverso e due dei colori si accoppiano l'uno di fronte all'altro. Questo li rende prevedibili.

Dopo aver messo insieme una linea di blocchi di DNA, un'altra linea si accoppierà di fronte. Gli scienziati hanno imparato a mettere insieme il DNA in modo tale da introdurre spaccature e piegature. "Con un design intelligente, si diramano i filamenti di DNA in modo da avere ora tre dimensioni, " ha detto il prof Gothelf. "È molto facile prevedere come si piega."

La dott.ssa Patiño sta sviluppando nanorobotici a DNA semoventi nel suo progetto, DNA-bot. "Il DNA è altamente sintonizzabile, " ha detto. "Possiamo avere un software che ci mostra quali sequenze producono quale forma. Questo non è possibile con altri materiali su questa piccola scala".

Sebbene i nanorobot a DNA siano ben lungi dall'essere utilizzati nelle persone, con il Prof. Gothelf che afferma che "non vedremo alcun medicinale basato su questo nei prossimi dieci anni, "In laboratorio si stanno facendo progressi. Già gli scienziati possono ottenere una stringa di DNA da un virus, e quindi progettare utilizzando il software tratti più brevi di DNA da accoppiare e piegare la corda nella forma desiderata. "Questa straordinaria tecnica si chiama DNA origami, " ha affermato il Prof. Gothelf. Consente agli scienziati di creare robot 3D fatti di DNA.

In una prima svolta, Il laboratorio di ricerca del Prof. Gothelf ha realizzato una scatola del DNA con un coperchio che si apriva. Dopo, un altro gruppo ha costruito un robot a forma di botte che potrebbe aprirsi quando riconosce le proteine ​​del cancro, e rilasciare frammenti di anticorpi. Questa strategia viene perseguita in modo che un giorno un robot DNA possa avvicinarsi a un tumore, legarsi ad esso e rilasciare il suo carico killer.

"Con i nanorobot potremmo avere una consegna più specifica a un tumore, " ha detto il dottor Patiño. "Non vogliamo che i nostri farmaci vengano consegnati a tutto il corpo." È nel laboratorio del professor Francesco Ricci, che lavora su dispositivi a DNA per la rilevazione di anticorpi e la somministrazione di farmaci.

Nel frattempo, la rete il Prof. Gothelf dirige, DNA-Robotica, sta addestrando giovani scienziati a realizzare parti per la robotica del DNA in grado di eseguire determinate azioni. Il prof. Gothelf sta lavorando a un "bullone e cavo" che assomiglia al freno a mano di una bicicletta, dove la forza in un punto fa un cambiamento in un'altra parte del robot DNA. Un'idea fondamentale nella rete è quella di "plug and play, " significa che tutte le parti costruite saranno compatibili in un futuro robot.

flusso sanguigno

Oltre a svolgere funzioni specifiche, la maggior parte dei robot può muoversi. I robot DNA sono troppo minuscoli per nuotare contro il nostro flusso sanguigno, ma è ancora possibile ingegnerizzarvi piccoli motori utili usando enzimi.

Il Dr. Patiño aveva precedentemente sviluppato un nanointerruttore del DNA in grado di rilevare l'acidità del suo ambiente. Il suo dispositivo DNA funzionava anche come un micromotore semovente grazie a un enzima che reagiva con le comuni molecole di ureasi presenti nel nostro corpo e fungeva da fonte di energia. "La reazione chimica può produrre energia sufficiente per generare movimento, " ha detto il dottor Patino.

Il movimento è importante per portare i nanorobot dove devono essere. "Potremmo iniettare questi robot nella vescica e raccolgono l'energia chimica usando l'ureasi e si muovono, " ha detto il dottor Patiño. In futuro tale movimento 'li aiuterà a trattare un tumore o un sito di malattia con più efficienza delle nanoparticelle passive, che non può muoversi." Recentemente, Patiño e altri hanno riferito che le nanoparticelle dotate di nanomotori si diffondono in modo più uniforme delle particelle immobili quando vengono iniettate nella vescica dei topi.

Piuttosto che nuotare nel sangue, i nanobot potrebbero essere in grado di attraversare le barriere nel nostro corpo. La maggior parte dei problemi di consegna dei farmaci è dovuta a queste barriere biologiche, come gli strati della mucosa, osserva il dottor Patiño. Le barriere sono lì per impedire i germi, ma spesso bloccano i farmaci. I robot DNA semoventi del Dr. Patiño potrebbero cambiare la permeabilità di queste barriere o semplicemente passare attraverso di esse.

Stabilità

Le nanoparticelle possono essere espulse dalla vescica di un paziente, ma questa opzione non è così facile in altre parti del corpo, dove potrebbero essere necessari robot biodegradabili che si autodistruggono. Il DNA è un materiale ideale, poiché è facilmente scomponibile dentro di noi. Ma questo può anche essere un aspetto negativo, poiché il corpo potrebbe masticare rapidamente un bot DNA prima che svolga il lavoro. Gli scienziati stanno lavorando per rivestire o camuffare il DNA e rafforzare i legami chimici per aumentare la stabilità.

Un altro potenziale svantaggio è che pezzi nudi di DNA possono essere visti dal sistema immunitario come segni di nemici batterici o virali. Questo può innescare una reazione infiammatoria. Finora, nessun DNA nanobot è mai stato iniettato in una persona. Ciò nonostante, Il prof. Gothelf è fiducioso che gli scienziati possano aggirare questi problemi.

Infatti, stabilità e reazione immunitaria erano ostacoli che gli sviluppatori di vaccini mRNA, che forniscono istruzioni genetiche nel corpo all'interno di una nanoparticella, dovevano superare. "I vaccini Moderna e Pfizer (BioNTech) (per COVID-19) hanno un filamento oligonucleotidico modificato che è formulato in una nanovescicola, quindi è vicino ad essere un piccolo nanorobot, " ha affermato il prof. Gothelf. Prevede un futuro in cui i nanorobot a DNA consegnano farmaci esattamente dove necessario. Ad esempio, un farmaco potrebbe essere attaccato a un robot DNA con uno speciale linker che viene tagliato da un enzima che si trova solo all'interno di determinate cellule, assicurando così che il farmaco venga liberato in un luogo preciso.

Ma la robotica del DNA non è solo per la nanomedicina. Il prof. Gothelf sta mescolando la chimica organica con i nanobot del DNA per trasmettere la luce lungo un filo largo solo una molecola. Questo potrebbe miniaturizzare ulteriormente l'elettronica. I robot DNA potrebbero aiutare la produzione su scale più piccole, perché possono mettere le molecole in mente a distanze incredibilmente piccole ma precise l'una dall'altra.

Per ora però, La robotica del DNA per la medicina è ciò che la maggior parte degli scienziati sogna. "Potresti realizzare strutture molto più intelligenti e molto più specifiche di quanto è possibile oggi, " ha affermato il Prof. Gothelf. "Questo ha il potenziale per creare una generazione completamente nuova di farmaci".