Un team internazionale di scienziati ha recentemente sviluppato un nuovo tipo di nanomotore fatto di DNA. È azionato da un meccanismo intelligente e può eseguire movimenti pulsanti. I ricercatori stanno ora progettando di dotarlo di un accoppiamento e di installarlo come azionamento in complesse nanomacchine. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Nanotechnology .
Petr Šulc, professore assistente presso la Scuola di Scienze Molecolari dell'Arizona State University e il Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics, ha collaborato su questo progetto con il professor Famulok (responsabile del progetto) dell'Università di Bonn, in Germania, e il professor Walter dell'Università del Michigan progetto.
Šulc ha utilizzato gli strumenti di modellazione computerizzata del suo gruppo per ottenere informazioni dettagliate sulla progettazione e sul funzionamento di questo nanomotore a balestra. La struttura è composta da quasi 14.000 nucleotidi, che formano le unità strutturali di base del DNA.
"Essere in grado di simulare il movimento in una nanostruttura così grande sarebbe impossibile senza oxDNA, il modello computerizzato che il nostro gruppo utilizza per la progettazione e la progettazione di nanostrutture di DNA", spiega Šulc. "È la prima volta che un motore nanotecnologico del DNA alimentato chimicamente viene progettato con successo. Siamo molto entusiasti che i nostri metodi di ricerca possano aiutare a studiarlo e non vediamo l'ora di costruire nanodispositivi ancora più complessi in futuro."
Questo nuovo tipo di motore è simile a un trainer per la forza della presa della mano che rafforza la presa se usato regolarmente. Tuttavia, il motore è circa un milione di volte più piccolo. Due maniglie sono collegate da una molla in una struttura a V.
In un attrezzo per allenare la forza della presa, stringi insieme le maniglie contro la resistenza della molla. Una volta rilasciata la presa, la molla riporta le maniglie nella posizione originale. "Il nostro motore utilizza un principio molto simile", afferma il professor Michael Famulok dell'Istituto Life and Medical Sciences (LIMES) dell'Università di Bonn. "Ma le maniglie non vengono premute insieme, ma piuttosto accostate."
I ricercatori hanno riproposto un meccanismo senza il quale non ci sarebbero piante o animali sulla Terra. Ogni cella è dotata di una sorta di biblioteca. Contiene i progetti per tutti i tipi di proteine di cui ogni cellula ha bisogno per svolgere la sua funzione. Se la cellula vuole produrre un certo tipo di proteina, ne ordina una copia dal rispettivo modello. Questa trascrizione è prodotta dagli enzimi chiamati RNA polimerasi.
Il progetto originale è costituito da lunghi filamenti di DNA. Le RNA polimerasi si muovono lungo questi filamenti e copiano lettera per lettera le informazioni memorizzate.
"Abbiamo preso una RNA polimerasi e l'abbiamo attaccata a una delle maniglie della nostra nanomacchina", spiega Famulok, che è anche membro dei settori di ricerca transdisciplinare "Vita &Salute" e "Materia" dell'Università di Bonn.
"Nelle immediate vicinanze abbiamo anche teso un filamento di DNA tra le due impugnature. La polimerasi si aggrappa a questo filamento per copiarlo. Si trascina lungo il filamento e la parte non trascritta diventa sempre più piccola. Ciò tira la seconda maniglia punta verso il primo, comprimendo allo stesso tempo la molla."
Il filamento di DNA tra le maniglie contiene una particolare sequenza di lettere poco prima della sua fine. Questa cosiddetta sequenza di terminazione segnala alla polimerasi di lasciare andare il DNA. La molla ora può rilassarsi nuovamente e allontanare le maniglie. Ciò avvicina la sequenza iniziale del filamento alla polimerasi e il copiatore molecolare può avviare un nuovo processo di trascrizione:il ciclo quindi si ripete.
"In questo modo, il nostro nanomotore svolge un'azione pulsante", spiega Mathias Centola del gruppo di ricerca guidato dal professor Famulok, che ha effettuato gran parte degli esperimenti.
Anche questo motore necessita di energia proprio come qualsiasi altro tipo di motore. È fornito dalla "zuppa alfabetica" da cui la polimerasi produce le trascrizioni. Ognuna di queste lettere (nella terminologia tecnica:nucleotidi) ha una piccola coda composta da tre gruppi fosfato:un trifosfato.
Per allegare una nuova lettera ad una frase esistente, la polimerasi deve rimuovere due di questi gruppi fosfato. Questo rilascia energia che può utilizzare per collegare insieme le lettere. "Il nostro motore utilizza quindi i nucleotidi trifosfati come carburante", afferma Famulok. "Può continuare a funzionare solo quando ne sarà disponibile un numero sufficiente."
I ricercatori sono riusciti a dimostrare che il motore può essere facilmente combinato con altre strutture. Ciò dovrebbe consentirgli, ad esempio, di vagare su una superficie, in modo simile a un verme che si trascina lungo un ramo nel suo stile caratteristico.
"Stiamo anche progettando di produrre un tipo di frizione che ci permetterà di utilizzare la potenza del motore solo in determinati momenti e di lasciarlo al minimo negli altri casi", spiega Famulok. A lungo termine il motore potrebbe diventare il cuore di una complessa nanomacchina. "Tuttavia, c'è ancora molto lavoro da fare prima di raggiungere questo stadio."
Il laboratorio di Šulc è altamente interdisciplinare e applica ampiamente i metodi della fisica statistica e della modellazione computazionale a problemi di chimica, biologia e nanotecnologia. Il gruppo sviluppa nuovi modelli multiscala per studiare le interazioni tra biomolecole, in particolare nel contesto della progettazione e delle simulazioni di nanostrutture e dispositivi di DNA e RNA.
"Proprio come le macchine complesse del nostro uso quotidiano - aerei, automobili e chip elettronici - richiedono sofisticati strumenti di progettazione assistita da computer per assicurarsi che svolgano la funzione desiderata, c'è un urgente bisogno di avere accesso a tali metodi nelle scienze molecolari. "
La professoressa Tijana Rajh, direttrice della Scuola di scienze molecolari, ha dichiarato:"Petr Šulc e il suo gruppo stanno facendo una scienza molecolare estremamente innovativa, utilizzando i metodi della chimica e della fisica computazionale per studiare le molecole di DNA e RNA nel contesto della biologia e della nanotecnologia. . I nostri docenti più giovani della Scuola di Scienze Molecolari hanno uno straordinario record di risultati e il Professor Šulc è un esempio in questo senso."
DNA e RNA sono le molecole fondamentali della vita. Svolgono molte funzioni, tra cui l'archiviazione e il trasferimento delle informazioni nelle cellule viventi. Hanno anche applicazioni promettenti nel campo della nanotecnologia in cui filamenti di DNA e RNA progettati vengono utilizzati per assemblare strutture e dispositivi su scala nanometrica.
Come spiega Šulc, "È un po' come giocare con i mattoncini Lego, tranne per il fatto che ogni mattoncino Lego ha una dimensione di solo pochi nanometri (un milionesimo di millimetro) e invece di mettere ciascun mattoncino nel punto in cui dovrebbe andare, tu mettili dentro una scatola e scuotila in modo casuale finché non esce solo la struttura desiderata."
Questo processo è chiamato autoassemblaggio e Šulc e i suoi colleghi utilizzano software di modellazione e progettazione computazionale per creare gli elementi costitutivi che si assemblano in modo affidabile nella forma desiderata con una risoluzione su scala nanometrica.
"Le applicazioni promettenti di questo campo includono la diagnostica, la terapia, la robotica molecolare e la costruzione di nuovi materiali", afferma Šulc.
"Il mio laboratorio ha sviluppato il software per progettare questi blocchi e lavoriamo a stretto contatto con gruppi sperimentali dell'ASU e di altre università negli Stati Uniti e in Europa. È emozionante vedere i nostri metodi utilizzati per progettare e caratterizzare nanostrutture di crescente complessità, come il campo progredisce e otteniamo nuovi progetti avanzati e li gestiamo con successo su scala nanometrica."
Ulteriori informazioni: Un nanomotore DNA-origami a molla che pulsa ritmicamente che guida un seguace passivo, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01516-x. www.nature.com/articles/s41565-023-01516-x
Informazioni sul giornale: Nanotecnologia naturale
Fornito dall'Arizona State University
