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Una cassetta di sicurezza costruita dal DNA
Utilizzando nient'altro che il DNA, i ricercatori in Danimarca hanno costruito una minuscola scatola con un coperchio che può chiudersi a chiave o, con l'aiuto di un set di chiavi del DNA, aprirsi. Mentre altri gruppi hanno sperimentato l'uso di origami del DNA per costruire oggetti tridimensionali, la nuova scatola, descritta nell'edizione di questa settimana di Natura , si distingue per i suoi lati pieni e le parti mobili.
Zollette di zucchero desossiribosio: Poiché le regioni complementari del DNA amano accoppiarsi, i ricercatori sono stati in grado di progettare un lungo filamento di DNA che, combinato con molti minuscoli punti di DNA, si sarebbe assemblato automaticamente in una scatola di dimensioni nanometriche. Questa tecnica è nota come origami del DNA. Qui, le scatole sono state riprese utilizzando la tomografia crioelettronica per confermare le loro strutture cubiche e l'interno cavo.
È una struttura molecolare piuttosto bella, dice John Reif , un illustre professore di informatica alla Duke University, che non è stato coinvolto nella ricerca. È la prima volta che una nanostruttura come quella ha un coperchio programmabile e controllabile.
Per ora, la scatola serve come prova di principio che gli origami del DNA possono essere adattati per creare elaborate strutture tridimensionali, afferma Jørgen Kjems , un biologo molecolare presso l'Aarhus University Center for DNA Nanotechnology, che ha guidato la ricerca. Ma in futuro, crede che il contenitore di dimensioni nanometriche potrebbe essere adattato per un'ampia gamma di applicazioni, dal veicolo per la somministrazione di farmaci alla porta logica.
Il DNA è un materiale da costruzione ideale per le nanostrutture. È facile sfornare alla rinfusa: Kjems e il suo team hanno dirottato un virus per produrre copie della sequenza che avevano progettato. E si piega in modi diretti e prevedibili in base alla sua sequenza. Per progettare la scatola, il team di Aarhus ha sviluppato un programma per computer per generare una sequenza continua di DNA a singolo filamento che, insieme a frammenti di DNA più piccoli che fungono da graffette, si autoassemblano nella forma desiderata.
La sequenza è stata ideata con molte regioni complementari in modo che si piegasse automaticamente in sei fogli approssimativamente quadrati a forma di fisarmonica - i lati della scatola - in base alla naturale tendenza del DNA ad accoppiarsi in doppi filamenti. Le graffette del DNA, guidate anche dall'accoppiamento di sequenze complementari, hanno cucito insieme i bordi dei fogli per formare un cubo cavo con un coperchio incernierato.
Per rendere il coperchio bloccabile, Kjems e i suoi colleghi hanno modellato due minuscoli fermi del DNA con estremità appiccicose. In circostanze normali, i fermi aderiscono alla scatola, tenendola chiusa. Ma quando vengono aggiunte le due chiavi DNA corrispondenti, i fermi si legano a quelle, consentendo al coperchio di aprirsi. Una coppia di molecole di colorante, una attaccata al bordo della scatola e l'altra al coperchio, si illuminano di rosso quando sono vicine e di verdi quando sono distanti, fornendo un modo semplice per rilevare se una scatola è chiusa o aperta.
Pensa fuori dagli schemi: Le nano scatole, qui modellate in grigio, potrebbero un giorno trasportare i farmaci verso destinazioni specifiche nel corpo o fungere da porte logiche in un computer basato sul DNA. Il coperchio di ogni scatola è normalmente chiuso con due paia di frammenti di DNA complementari (blu e arancione). Ma quando le chiavi DNA corrispondenti (anch'esse blu e arancioni) vengono aggiunte al mix, interferiscono con i fermi e consentono ai coperchi di aprirsi. I pennarelli fluorescenti si illuminano di rosso quando una scatola è chiusa e di verde quando è aperta.
Con strutture tridimensionali come questa, la vera sfida non è progettare l'oggetto, ma dimostrare che si è formato con successo, afferma Paul Rothemund , un informatico presso il California Institute of Technology, che ha sviluppato una tecnica semplice per creare strutture del DNA. I ricercatori hanno utilizzato diversi metodi di imaging per garantire che le scatole si assemblassero come previsto. Hanno fatto un lavoro molto convincente nel dimostrare di aver fatto ciò che pensavano di aver fatto, il che è davvero importante, dice Rothemund. E ora sono liberi di provare ad elaborarlo e convincerlo a fare davvero qualcosa.
Kjems ha diverse idee su cosa potrebbero fare le scatole. Una possibilità è caricarli di farmaci e programmare l'apertura delle palpebre in risposta a qualche segnale biologico all'interno del corpo, ad esempio la presenza di un virus o di un gene canceroso, rilasciando così il loro carico terapeutico.
C'è un modo in cui sono più interessanti di quasi tutti gli altri schemi di nano-incapsulamento a cui puoi pensare per questo scopo, perché hanno questi coperchi infinitamente programmabili, dice Rothemund. È qualcosa che nessun altro tipo di capsula per la somministrazione di nano farmaci può offrire.
Tuttavia, gli usi terapeutici sono ancora molto lontani. Mentre le scatole sono teoricamente abbastanza solide da impedire la fuoriuscita di molecole di grandi dimensioni e abbastanza spaziose da racchiudere un ribosoma o un piccolo virus, i ricercatori non hanno ancora provato a mettere nulla al loro interno. E finora, le scatole funzionano solo all'interno di una provetta. A differenza di altri veicoli di nanoconsegna, non ci sono ancora prove della sicurezza o dell'efficacia dei dispositivi basati sul DNA nei sistemi viventi.
Ma le cassette di sicurezza non hanno bisogno di trasportare un carico utile per dimostrarsi utili. Kjems prevede anche di trasformarli in componenti elettronici. Poiché hanno due chiavi distinte, le scatole fungono da porte AND, aprendosi (e illuminandosi di verde) solo quando entrambe le chiavi sono presenti. Con alcune semplici modifiche, potrebbero servire anche come porte NON o porte OR. In linea di principio, dice Kjems, potresti costruire un computer del DNA usando queste scatole.