p Biólogos sintéticos e nanobiólogos estão redefinindo o DNA, o material hereditário presente em quase todas as células do corpo, como um material de automontagem inteligente e estável para construir nanofábricas, nanoestruturas de entrega de drogas e dispositivos moleculares que podem detectar seu ambiente e responder de maneiras diferentes, por exemplo, detectar inflamação no corpo ou toxinas no meio ambiente. Essas aplicações em nanoescala frequentemente envolvem a síntese de grandes sequências compreendendo milhares de blocos de construção de que o DNA é feito, conhecido como A, T, Bases de nucleotídeos C e G, que pode ser dobrado e estruturado devido às habilidades específicas de emparelhamento de base entre As e Ts, e Cs e Gs, respectivamente. p Contudo, até aqui, os pesquisadores não têm ferramentas à sua disposição que permitam que sequências maiores de fita simples cresçam de forma autônoma e, em seguida, se juntem de ponta a ponta seguindo um plano de design molecular, uma capacidade que pode gerar estruturas e dispositivos com diversos recursos.

p Publicado hoje em Química da Natureza , a pesquisa de Peng Yin no Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia de Harvard fornece uma solução amplamente aplicável para esse problema. Yin e sua equipe desenvolveram um método que permite que sequências pré-projetadas de DNA cresçam de forma autônoma e se concatenem ao longo de rotas de montagem específicas, portanto, fornecendo a base para uma nova geração de dispositivos moleculares programáveis. Colocando seu novo conceito de cascatas de 'Reação de Troca de Primer' (PER) em teste, eles projetaram com sucesso um primeiro conjunto de dispositivos com diversas funções, como origami de DNA de autoconstrução e nanoestruturas de DNA que percebem, amplificar, registrar ou avaliar logicamente os sinais ambientais.

p Os métodos anteriores produziram cópias idênticas de uma sequência menor fixa, mas eles são incapazes de anexar diferentes sequências sintetizadas umas às outras em padrões definidos para gerar assemblies maiores de forma autônoma, sem intervenção mediada pelo usuário. "Os recursos autônomos e programáveis ​​que as cascatas PER oferecem podem gerar uma geração inteiramente nova de dispositivos e aplicativos moleculares programáveis ​​e fechar lacunas nos esforços de design, para o qual já existem muitas peças móveis, "disse Peng Yin, membro do corpo docente do Wyss Institute, Ph.D., que liderou o estudo e também é professor de Biologia de Sistemas na Harvard Medical School (HMS). "Fornecemos dados de prova de conceito para PER em uma ampla gama de aplicações de biologia sintética de última geração que destacam claramente o amplo potencial da tecnologia."

p A equipe do Wyss Institute usou o novo conceito para projetar uma série de transcrições de PER DNA para aplicações muito diversas, incluindo a síntese autônoma de grandes nanoestruturas de DNA conhecidas como DNA-origamis, e abordagens de biologia sintética, em que a síntese de uma transcrição de DNA depende de um gatilho, como um pequeno micro RNA associado ao câncer. Sua abordagem PER pode até gerar transcrições de DNA resultantes de uma combinação avaliada logicamente de diferentes gatilhos, semelhante aos dispositivos de ribocomputação de RNA que a equipe de Yin publicou no início deste ano. Interessantemente, As transcrições de PER DNA podem se tornar catalíticas, ser capaz de cortar um RNA alvo arbitrário, tornam-se sondas marcadas com fluorescência que amplificam a presença de um estímulo molecular particular, ou "gravadores moleculares" que indicam fielmente a ordem em que certos sinais moleculares aparecem em seus ambientes.

p Para iniciar a cascata PER, dois componentes básicos são necessários. Um é chamado de "mediador em gancho de DNA catalítico", que é uma molécula de DNA de fita simples que parcialmente se emparelha consigo mesma para formar uma estrutura em grampo com uma fita única curta pendente. Esta saliência é projetada para capturar o segundo componente das cascatas PER, o "primer, "que contém uma região complementar à saliência. Por meio de uma série de reações de alongamento e deslocamento, o iniciador é estendido com uma sequência fornecida pelo mediador em gancho catalítico e, em seguida, expelido. Isso libera o mediador em gancho catalítico para cascatear a próxima rodada do processo, capturando um novo primer inicial ou o primer já alongado - e assim por diante.

p Essas vias de síntese complexas procedem de forma autônoma, comparável a um robô molecular executando uma determinada tarefa, e em uma única temperatura, o que torna a tecnologia muito robusta. "A abordagem nos dá uma tremenda liberdade criativa:não podemos apenas sintetizar o mesmo pedaço de DNA repetidamente como novas adições de uma sequência crescente, mas também podemos variar os tipos de sequências de DNA a serem anexadas simplesmente alterando a composição de DNAs em gancho catalítico e primers na mistura enquanto a montagem está em andamento. Isso nos permite ter uma ramificação da síntese em diferentes direções e padronizar intrincadamente a composição da transcrição final do DNA, "disse a primeira autora do estudo, Jocelyn Kishi, que, como pesquisador de pós-graduação da National Science Foundation (NSF) no HMS, trabalha na equipe do Wyss Institute de Yin. "Agora estamos trabalhando para implementar cascatas PER para uma variedade de aplicações, incluindo gravadores moleculares, diagnósticos sofisticados, e imagem de tecido. Também esperamos que algum dia esses sistemas possam ser usados ​​em células vivas como dispositivos que podem registrar eventos ou reprogramar o comportamento das células de maneiras específicas, "disse Kishi.

p "Este novo avanço que mostra como as moléculas de DNA podem ser programadas para se automontar em estruturas 3D específicas e realizar funções e tarefas predefinidas representa um grande passo à frente no campo da Robótica Molecular, e fornece um vislumbre do futuro dos dispositivos para aplicações médicas e não médicas, "disse o Diretor Fundador do Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., Ph.D., que também é o professor Judah Folkman de Biologia Vascular no HMS e do Programa de Biologia Vascular no Hospital Infantil de Boston, bem como Professor de Bioengenharia na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS).