I tubi, visibili in verde chiaro, hanno un diametro di circa sette nanometri - circa due milioni di volte più piccoli di una formica - e lunghi diversi micron, o circa la lunghezza di una particella di polvere. Credito:Università Johns Hopkins
Lavorando su tubi microscopici larghi solo un milionesimo di un singolo capello umano, i ricercatori della Johns Hopkins University hanno progettato un modo per garantire che questi tubi più piccoli siano al sicuro dalle perdite più piccole.
Le tubazioni a prova di perdite, realizzate con nanotubi che si autoassemblano, si autoriparano e possono collegarsi a diverse biostrutture, sono un passo significativo verso la creazione di una rete di nanotubi che un giorno potrebbe fornire farmaci, proteine e molecole specializzate a cellule mirate in il corpo umano. Le misurazioni altamente precise sono descritte oggi in Science Advances .
"Questo studio suggerisce fortemente che è possibile costruire nanotubi che non perdano utilizzando queste semplici tecniche di autoassemblaggio, in cui mescoliamo le molecole in una soluzione e lasciamo che formino la struttura che desideriamo", ha affermato Rebecca Schulman, un'associata professore di ingegneria chimica e biomolecolare che ha co-diretto la ricerca. "Nel nostro caso, possiamo anche collegare questi tubi a diversi punti finali per formare qualcosa come un impianto idraulico."
Il team ha lavorato con tubi di circa sette nanometri di diametro, circa due milioni di volte più piccoli di una formica, e lunghi diversi micron, o circa la lunghezza di una particella di polvere.
Il metodo si basa su una tecnica consolidata che riutilizza pezzi di DNA come elementi costitutivi per far crescere e riparare i tubi, consentendo loro di cercare e connettersi a strutture specifiche.
Studi precedenti hanno progettato strutture simili per creare strutture più corte chiamate nanopori. Questi progetti si concentrano sulla capacità dei nanopori del DNA di controllare il trasporto di molecole attraverso membrane lipidiche coltivate in laboratorio che imitano la membrana di una cellula.
Ma se i nanotubi sono come tubi, i nanopori sono come raccordi per tubi corti che da soli non possono raggiungere altri tubi, serbatoi o apparecchiature. Il team di Schulman è specializzato in nanotecnologie di ispirazione biologica per affrontare questo tipo di problemi.
"Costruire un lungo tubo da un poro potrebbe consentire alle molecole non solo di attraversare il poro di una membrana che conteneva le molecole all'interno di una camera o cellula, ma anche di dirigere dove vanno quelle molecole dopo aver lasciato la cellula", ha detto Schulman. "Siamo stati in grado di costruire tubi che si estendono dai pori molto più a lungo di quelli che erano stati costruiti prima, il che potrebbe portare il trasporto di molecole lungo le "autostrade" di nanotubi vicino alla realtà."
I nanotubi si formano utilizzando filamenti di DNA intrecciati tra diverse doppie eliche. Le loro strutture hanno piccole lacune come le trappole per le dita cinesi. A causa delle dimensioni estremamente ridotte, gli scienziati non sono stati in grado di verificare se i tubi potessero trasportare molecole per distanze maggiori senza perdite o se le molecole potessero scivolare attraverso le fessure delle pareti.
Yi Li, un dottorando del dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare della Johns Hopkins che ha co-diretto lo studio, ha eseguito il nano-equivalente di tappare l'estremità di un tubo e aprire un rubinetto per assicurarsi che l'acqua non fuoriesca. Yi ha tappato le estremità dei tubi con speciali "tappi" di DNA e vi ha fatto passare una soluzione di molecole fluorescenti per tenere traccia delle perdite e dei tassi di afflusso.
I tubi, visibili come le linee verde chiaro, hanno un diametro di circa sette nanometri - circa due milioni di volte più piccoli di una formica - e lunghi diversi micron, o circa la lunghezza di una particella di polvere. Credito:Università Johns Hopkins
Misurando con precisione la forma dei tubi, il modo in cui le loro biomolecole si collegavano a specifici nanopori e la velocità con cui scorreva la soluzione fluorescente, il team ha dimostrato come i tubi spostassero le molecole in minuscoli sacchi cresciuti in laboratorio simili alla membrana di una cellula. Le molecole luminose scivolarono come acqua lungo uno scivolo.
"Ora possiamo chiamarlo più un sistema idraulico, perché stiamo dirigendo il flusso di determinati materiali o molecole su distanze molto più lunghe usando questi canali", ha detto Li. "Siamo in grado di controllare quando interrompere questo flusso utilizzando un'altra struttura del DNA che si lega in modo molto specifico a quei canali per interrompere questo trasporto, funzionando come una valvola o un tappo".
I nanotubi di DNA potrebbero aiutare gli scienziati a comprendere meglio come i neuroni interagiscono tra loro. I ricercatori potrebbero anche usarli per studiare malattie come il cancro e le funzioni degli oltre 200 tipi di cellule del corpo.
Successivamente il team condurrà ulteriori studi con cellule sintetiche e reali, nonché con diversi tipi di molecole.
Gli autori includevano il professore di fisica e astronomia della Johns Hopkins Brice Ménard e Himanshu Joshi e Aleksei Aksimentiev dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign. + Esplora ulteriormente
