Capturando a dobradura do origami de DNA com um novo modelo dinâmico
Um exemplo de estrutura complexa construída sobre uma superfície plana usando origami de DNA. Este é um polarímetro usado para determinar as propriedades de polarização de feixes de luz e amostras. De Ashwin Gopinath et al. , Orientação absoluta e arbitrária de formas de moléculas únicas. Crédito:Science371,eabd6179(2021). DOI:10.1126/science.abd6179 A maioria das pessoas está familiarizada com a dupla hélice do DNA. A sua forma de escada torcida forma-se porque os longos pedaços de ADN que constituem o nosso genoma são exactamente complementares – cada adenina emparelhada com uma timina e cada citosina emparelhada com uma guanina. As sequências destes quatro nucleótidos contêm a informação necessária para construir as proteínas no nosso corpo, mas também codificam a sua própria estrutura de dupla hélice.
Desde a década de 1980, no entanto, os cientistas têm sequestrado essas regras de emparelhamento para construir outras estruturas além das duplas hélices. Este campo é chamado de nanotecnologia de DNA, e sua implementação mais popular, o origami de DNA, permite que os pesquisadores dobrem o DNA em qualquer formato, fornecendo uma abordagem poderosa para a construção de dispositivos e máquinas em nanoescala.
O origami de DNA envolve colocar um longo pedaço de DNA, chamado de andaime, junto com centenas de pequenos pedaços de DNA cuidadosamente selecionados, chamados de grampos, em um tubo de ensaio, e deixá-los se dobrarem na estrutura projetada.
A tecnologia é notavelmente eficiente, com todo o processo acontecendo em uma etapa experimental. Apesar da aparente simplicidade, o processo é complexo e os cientistas não têm uma visão completa do que acontece durante o dobramento. Os microscópios regulares têm dificuldade em ver estruturas de origami de DNA porque são muito pequenas e podem exigir que as estruturas sejam fixadas a uma superfície.
Uma forma de tentar entender esse processo é por meio de simulações computacionais, utilizando uma abordagem conhecida como dinâmica molecular. Os pesquisadores tentaram usar essas simulações no passado para entender o que acontece quando as estruturas do origami de DNA se dobram. No entanto, os modelos existentes consideram cada nucleotídeo e os movimentos resultantes da estrutura em evolução ao longo de bilhões de pequenos intervalos de tempo. O processo é computacionalmente exigente, limitando o tamanho das estruturas e o tempo durante o qual a dinâmica pode ser simulada. Crédito:Duke University Para contornar esse obstáculo, Gaurav Arya, professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais na Duke University, e seu aluno de doutorado Marcello Deluca estão dando um passo atrás.
Em vez de simular cada nucleotídeo, eles desenvolveram um novo modelo que lhes permite capturar a dinâmica desse processo considerando apenas o comportamento de grupos de oito nucleotídeos. Esta simplificação significa que, embora ainda sejam capazes de simular a estrutura para milhares de milhões de passos, cada um desses passos pode ser muito maior e cada passo é mais fácil de simular.
Usando essa abordagem em um artigo publicado on-line em 8 de abril na Nature Communications , Arya e DeLuca mostraram que podem modelar a dinâmica de dobramento centenas de vezes para origami de DNA com mais de 8.000 nucleotídeos de tamanho. O recorde anterior para uma única simulação era de 770.
“Nossa técnica carece dos detalhes moleculares dos modelos existentes, mas não é isso que buscamos aqui”, disse Arya. "Estamos interessados na dinâmica global de estruturas complexas inteiras à medida que elas se automontam."
Os resultados já estão revelando muitos novos insights sobre a dinâmica da dobradura do origami. Por exemplo, o estudo descobriu que estas estruturas começam a parecer-se muito com as estruturas finais dobradas muito cedo no processo, mas demoram muito tempo a cristalizar na sua forma final. O estudo também sugeriu que um fenômeno chamado momento de dobramento, que é muito importante no dobramento de proteínas, também pode estar em jogo no dobramento do origami. Crédito:Duke University Arya e DeLuca dizem que esta abordagem poderia eventualmente ajudar centenas de outros grupos de pesquisa que trabalham neste campo a otimizar a dobragem das suas estruturas. Ao serem capazes de simular o resultado da dobragem de um design muitas vezes num curto período, os cientistas serão capazes de prever o produto final e fazer melhorias no seu design antes mesmo de este ter de ser comprado e dobrado no laboratório.
Eles também apontam que esta abordagem de modelagem poderia ajudar a acelerar aplicações potenciais do origami de DNA, por exemplo na entrega de medicamentos, pois proporciona uma compreensão mais abrangente do que está acontecendo.
“Dispositivos de origami de DNA podem ser projetados para liberar automaticamente moléculas presas quando expostas a um determinado ambiente, como os níveis mais baixos de pH encontrados dentro de um tumor”, disse DeLuca.
"Mas um grande desafio para conseguir a aprovação de algo assim é uma compreensão suficiente desses dispositivos, incluindo como eles se dobram e liberam sua carga. Se pudermos traçar um quadro melhor, isso poderá aliviar as preocupações regulatórias para esses tipos de terapêutica."
