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Elementi costitutivi del DNA
Per anni, alcuni ricercatori hanno suggerito che il DNA potrebbe essere utilizzato per creare complesse strutture autoassemblanti e persino macchine su scala nanometrica. Infatti sono già state create forme semplici, come i cubi, e semplici dispositivi, come le pinzette, fatte di DNA. Ma gli scettici si sono chiesti se il DNA abbia la stabilità necessaria per dispositivi più sofisticati.
Ora i ricercatori dell'Università di Oxford hanno sviluppato blocchi di costruzione rigidi dal DNA che possono essere progettati per autoassemblarsi in strutture più complesse. Questi blocchi, che hanno la forma di piramidi, hanno già dimostrato la loro utilità consentendo le prime misurazioni della quantità di forza che il DNA può supportare senza deformarsi, secondo i ricercatori.
Andrew Turberfield, professore di fisica a Oxford e ricercatore coinvolto nel lavoro, afferma che è uno dei pochissimi esempi dell'uso di una nanostruttura del DNA per consentirti di fare effettivamente qualcosa che prima non potevi fare. Non è solo bello, è davvero utile.
Le nuove misurazioni mostrano che il DNA è un materiale relativamente forte, afferma Chris Dwyer, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke University, che lavora anche sull'autoassemblaggio del DNA. Ciò consolida l'argomento che saremo in grado di utilizzare l'autoassemblaggio del DNA per strutture più complesse.
Il DNA è un materiale attraente per i dispositivi autoassemblati perché la sua sequenza di basi, che nel corpo funge da codice genetico, può essere programmata. Modificando questo codice, i ricercatori sono in grado di indirizzare il modo in cui i fili si combinano quando vengono aggiunti a una soluzione.
Nel lavoro a Oxford, quattro filamenti di DNA sono serviti come base per le piramidi. Ogni filo costituisce una faccia triangolare. I bordi di questi triangoli hanno sequenze di pezzi di puzzle aperti che si legano a un altro bordo di un triangolo. Quando questi bordi si incontrano, i triangoli si piegano a forma di piramide. Semplicemente mescolando insieme il giusto numero di diversi filamenti, i ricercatori hanno costruito trilioni di piramidi, e in pochi secondi.
Queste semplici strutture possono rivelarsi utili come contenitori, forse per la somministrazione di farmaci nel corpo. Ma sono anche strutture rigide che potrebbero essere un punto di partenza per molte altre strutture più complesse. Per ottenere questi elementi costitutivi da assemblare in strutture più complesse, i ricercatori di Oxford si sono nuovamente rivolti al DNA. Hanno incorporato i fili sciolti nelle strutture con sequenze progettate per collegarsi ai fili sciolti nelle piramidi vicine.
Finora hanno usato questa tecnica solo per formare coppie di piramidi. Ma dicono che dovrebbe essere possibile agganciarne molti di più insieme. Variando le sequenze utilizzate e la posizione in cui sono posizionate nelle piramidi, ad esempio ai bordi o alle punte, i ricercatori affermano che le loro piramidi potrebbero autoassemblarsi in una varietà di forme. Sperano che il DNA possa facilmente fungere da impalcatura per organizzare altri materiali.
È un ottimo modo per progettare un'architettura con una precisione essenzialmente atomica, afferma Turberfield, ma per creare una sorta di dispositivo molecolare utile, quasi sicuramente vorrai collegare altre cose, ad esempio componenti elettronici molecolari, a impalcature come questo per creare un dispositivo completo. Tali componenti potrebbero includere nanofili, che potrebbero portare a circuiti tridimensionali, forse per computer densi e potenti. Potrebbero anche incorporare molecole biologiche per il rilevamento o sostanze chimiche fluorescenti per applicazioni di imaging.
Il più grande vantaggio di queste piramidi potrebbe effettivamente essere la loro iniziale mancanza di complessità. Patrick Doyle, un professore di ingegneria chimica del MIT che studia le dinamiche del DNA, afferma che il design è piuttosto elegante.
In passato, le strutture tridimensionali del DNA venivano costruite con una serie meticolosa di passaggi e alla fine producevano poche copie. Queste piramidi, tuttavia, che si formano con l'aiuto del riscaldamento, quindi del raffreddamento dei filamenti di DNA, richiedono solo un passo per assemblarsi e producono rese molto più elevate.
Una delle virtù di questa struttura è l'estrema semplicità e l'altissima resa e velocità di sintesi, afferma Turberfield. Se vuoi un elemento costitutivo con cui realizzare molte altre cose, non devi sforzarti per la costruzione dell'elemento costitutivo: vuoi che sia facile. Quindi puoi continuare a fare le cose più difficili, collegandole in seguito.