Nanotech fai da te

Mentre i ricercatori hanno già manipolato gli atomi per creare lettere abbastanza piccole da contenere tutte le parole dell'Enciclopedia Britannica sulla testa di uno spillo e hanno assemblato computer e macchine molecolari rudimentali, queste imprese rimangono novità la cui creazione dipende da metodi difficili e costosi.

Ora Paul Rothemund , un informatico del Caltech, con un background in biologia, ha sviluppato un modo relativamente economico per progettare e costruire rapidamente forme e modelli arbitrari usando il DNA e, dice, è abbastanza semplice da usare per gli studenti delle scuole superiori. Poiché una varietà di molecole e nanoparticelle può essere collegata al DNA, questa tecnica potrebbe essere un modo per modellare rapidamente componenti diversi come proteine ​​e nanotubi semiconduttori, possibilmente portando a minuscoli dispositivi elettronici o dispositivi per studiare le cellule a un livello di dettaglio senza precedenti.

[ Clicca qui per le immagini di alcune di queste forme di DNA autoassemblate.]

È un lavoro davvero spettacolare. Ne sono estremamente entusiasta, dice William Shih , professore di chimica biologica e farmacologia molecolare presso la Harvard Medical School, che ora sta lavorando per estendere la tecnica di Rothemund alla costruzione di strutture tridimensionali. Il lavoro di Rothemund, dice, ha preso il piccolo campo della nanotecnologia del DNA e l'ha aperto a diventare uno strumento mainstream rendendolo di uno o due ordini di grandezza più economico e più facile da fare.

Nadrian Seeman , il chimico della New York University che ha aperto la strada all'uso del DNA per la costruzione di forme complesse, afferma: Salendo di scala, è in grado di produrre modelli più intricati e più grandi di quanto non fosse pratico con gli approcci precedenti. Questo è un progresso entusiasmante che probabilmente rivoluzionerà la formazione del modello su questa scala.

Nel metodo di Rothemund, un lungo filamento di DNA serpeggia avanti e indietro fino a formare la forma desiderata. La chiave per far sì che il DNA si formi in questo modo e per tenerlo in posizione sono brevi punti di DNA con sequenze scelte per attaccarsi a parti specifiche del lungo filamento. Rothemund divide il lungo filone in sezioni; quindi una graffetta potrebbe attaccarsi alle sezioni 86 e 112, per esempio, unendole e facendo piegare il lungo filo. Un paio di centinaia di graffette uniche possono piegare il DNA nella forma giusta.

Un programma per computer si occupa di identificare le sequenze che devono avere le graffette. Progetto [la struttura] che voglio sul computer, dice Rothemund. Sputa una serie di 250 sequenze di DNA. li ordino; arrivano per posta in un mucchio di tubicini. Li mescolo insieme [insieme al lungo filamento di DNA], aggiungo un po' di sale, lo riscaldo fino all'ebollizione e lo faccio raffreddare fino a circa la temperatura ambiente, e poi è fatto. Una volta mescolati insieme, i filamenti di DNA si assemblano nella struttura desiderata.

Tali metodi di autoassemblaggio possono essere utilizzati per realizzare qualsiasi forma o modello che misuri 100 nanometri o meno e con caratteristiche distanti circa 6 nanometri. In confronto, un globulo rosso ha un diametro di circa 7.000 nanometri. Un articolo che descrive il lavoro di Rothemund apparso oggi sulla rivista Natura dimostra la versatilità della tecnica con immagini di faccine sorridenti, quadrati, triangoli e stelle (clicca qui). Ma Rothemund può anche creare modelli intricati su queste forme: ad esempio, ha disegnato una mappa in scala 1:200 trilioni dell'emisfero occidentale che potrebbe adattarsi all'interno di una cellula.

La progettazione di ogni struttura ha richiesto circa una settimana, secondo Rothemund. Dopodiché, trilioni di copie si autoassemblano in poche ore: questa velocità di produzione è una delle qualità che rende l'autoassemblaggio così attraente.

In questo momento, però, la tecnica è una soluzione alla ricerca del problema. Ma Rothemund e altri, come Shih, si aspettano che presto arriveranno applicazioni pratiche, poiché i ricercatori imparano quanto sia facile la tecnica e trovano modi per applicarla a problemi specifici. Una possibilità è modellare dispositivi elettronici su una scala più piccola di quanto sia possibile utilizzando i metodi di litografia ottica odierni. Thomas LaBean , un chimico e informatico della Duke University, che ha sviluppato un'altra tecnica di autoassemblaggio del DNA generica che è un po' più difficile e ha una risoluzione inferiore rispetto a quella di Rothemund, sta sviluppando transistor a elettrone singolo modellati con DNA che potrebbero fungere da componenti per un dispositivo del genere.

Tuttavia, rimangono sfide significative prima che appaiano i dispositivi funzionanti che utilizzano questo metodo. Con l'autoassemblaggio, c'è un tasso di errore intrinseco, afferma Shih di Harvard. A differenza dei computer di oggi, ad esempio, i computer autoassemblati dovranno rilevare e aggirare i componenti non funzionanti. Inoltre, molte applicazioni richiederanno modelli più grandi di quelli realizzati finora da Rothemund. Una potenziale soluzione a questo problema, che Rothemund ha già provato con scarso successo, è combinare forme più piccole usando filamenti di DNA, proprio come le cellule si uniscono per costruire un organismo, spiega.

Inoltre, sebbene la nuova tecnica sia conveniente per i laboratori, non è ancora abbastanza economica per produrre materiali sfusi. L'autoassemblaggio già dimostrato, tuttavia, potrebbe essere pratico per costruire nanoarray in grado di misurare il contenuto preciso delle singole cellule, afferma Shih, consentendo ai biologi di apprendere meglio i ruoli svolti dalle singole cellule, ad esempio quelle di un sistema nervoso.

In effetti, la migliore applicazione potrebbe non essere stata ancora pensata. Non mi sento scoraggiato dal fatto che non abbiamo ancora trovato le applicazioni super-killer per questo, dice Shih. Essere in grado di assemblare trilioni di dispositivi molecolarmente precisi è qualcosa che non siamo stati in grado di fare. E ora all'improvviso abbiamo questo metodo con cui possiamo farlo, a un prezzo accessibile. Non è ovvio quali saranno questi guadagni, ma tutti ci sentiamo come se ci fossero.

Lloyd Smith , un chimico dell'Università del Wisconsin, Madison, e autore di un commento sul lavoro in Natura , ha scritto, Ora siamo forse più limitati dalla nostra immaginazione che dalle nostre capacità.

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