Usando uma técnica conhecida como origami de DNA, o biofísico Hendrik Dietz vem construindo objetos em escala nanométrica há vários anos na Universidade Técnica de Munique (TUM). Agora, Dietz e sua equipe não apenas saíram do reino do nanômetro para construir objetos maiores, mas também cortaram os custos de produção em mil vezes. Essas inovações abrem uma nova fronteira para a tecnologia.

Os vírus encapsulam seu material genético em uma casca que compreende uma série de blocos de construção de proteínas idênticos. A cápsula do vírus da hepatite B, por exemplo, compreende 180 subunidades idênticas, um caso típico de construção "pré-fabricada" implantada com frequência na natureza.

A equipe liderada por Hendrik Dietz, O professor de Nanotecnologia Biomolecular na TU Munich agora transferiu os princípios de construção viral para a tecnologia de origami de DNA. Isso lhes permite projetar e construir estruturas na escala de vírus e organelas celulares.

A tecnologia se baseia em uma única fita longa que é anexada a uma estrutura de fita dupla usando sequências curtas de grampo. "A estrutura de fita dupla é energeticamente estável o suficiente para que possamos forçar a fita simples em quase qualquer forma usando contrapartes escolhidas apropriadamente, "explica Hendrik Dietz." Desta forma, podemos projetar precisamente objetos no computador que têm apenas alguns nanômetros de tamanho. "

Engrenagens para nanomotores

O laboratório Dietz comanda técnicas que permitem modificar e inserir funcionalidades químicas em objetos adicionando grupos laterais. Mas, até agora, o tamanho dos objetos permaneceu no reino dos nanômetros. Na revista científica Natureza , a equipe agora descreve como estruturas maiores podem ser construídas com peças pré-fabricadas.

Para este fim, eles primeiro criaram nanoobjetos em forma de V. Estes têm locais de ligação complementares de forma em seus lados, permitindo que eles se liguem autonomamente enquanto flutuam em uma solução. Dependendo do ângulo de abertura, eles formam "engrenagens" com número controlado de raios.

"Ficamos emocionados ao observar isso, quase sem exceção, anéis formados conforme definido pelo ângulo de abertura, "diz Hendrik Dietz." Decisivo para a capacidade de construir objetos deste tamanho e complexidade é a precisão e rigidez dos blocos de construção individuais. Tivemos que reforçar os elementos individuais com barras transversais, por exemplo."

Construção de microtubos

Para explorar ainda mais o princípio de construção, a equipe criou novos blocos de construção que tinham "juntas de cola" não apenas nas laterais, mas também ligeiramente mais fracos na parte superior e inferior. Isso permite que as "nano-engrenagens" formem tubos longos usando os locais de encaixe adicionais em uma segunda etapa.

"Com comprimentos de um micrômetro e um diâmetro de várias centenas de nanômetros, esses tubos atingiram o tamanho de algumas bactérias, "explica Hendrik Dietz." E podemos usar a arquitetura de elementos individuais para determinar as características da estrutura geral. "

Construção de estruturas poliédricas

Inspirado nas simetrias e no design hierárquico dos vírus, os pesquisadores também tentaram construir estruturas de gaiolas fechadas. "Uma possível aplicação futura de gaiolas artificiais é o transporte de medicamentos no corpo, "explica Hendrik Dietz." Aqui, o objetivo é liberar agentes ativos apenas em locais desejados específicos, poupando o resto do corpo. "

Usando os princípios já aplicados às estruturas descritas antes, a equipe agora construiu novos elementos que esperava que fossem montados de forma autolimitada em estruturas de gaiola nas condições certas. De acordo com essas estratégias, uma seção intermediária triangular e três elementos em forma de V dão origem a um elemento de construção de três pontas.

Dependendo do ângulo de abertura do V, um número definido dessas unidades se fundem para formar tetraédricos, estruturas hexaédricas ou dodecaédricas em uma segunda etapa. As estruturas finais integram até 1,8 milhão de pares de bases de DNA endereçáveis ​​em posições definidas pelo usuário. Pela primeira vez, essas gaiolas de tamanho discreto atingem pesos moleculares e tamanhos comparáveis ​​aos de vírus e organelas de pequenas células.

Produção em massa econômica

A data, os processos de manufatura limitaram o escopo de aplicação àqueles que requerem apenas pequenas quantidades de material. O fato de que apenas alguns microgramas podem ser fabricados com métodos convencionais impede muitas aplicações potenciais da ciência médica e de materiais.

O gargalo são os fios curtos básicos que devem ser produzidos quimicamente base por base. A principal fita obtida de bacteriófagos, por outro lado, podem ser produzidos em larga escala usando processos biotecnológicos.

É por isso que a equipe liderada por Hendrik Dietz refinou as chamadas enzimas de DNA, uma descoberta decorrente da biotecnologia sintética. Essas são fitas de DNA que se separam em posições específicas quando expostas a uma alta concentração de íons de zinco.

Eles juntaram as sequências básicas curtas a uma fita longa usando duas enzimas de DNA modificadas cada. "Uma vez montado com precisão com uma sequência de base específica, essas fitas combinadas podem ser reproduzidas em um processo biotecnológico, como com fitas simples de DNA bacteriófago, "diz Dietz, explicando a principal característica do processo.

Produção biotecnológica em larga escala

Tanto a fita principal quanto a secundária, compreendendo enzimas de DNA e as sequências básicas, foram produzidos com sucesso usando um processo de alta densidade celular com bactérias. O processo é escalonável e, portanto, adequado para a produção de alto volume dos principais fios e grampos. Aumentar a concentração de íons de zinco após o isolamento de DNA libera as sequências curtas de grampo, que então dobre o fio principal na forma desejada.

Investigações extensas dos mecanismos de reação em colaboração com colegas do Instituto de Engenharia Bioquímica mostraram que isso é possível mesmo em grande escala. No Centro de Pesquisa TUM para Biotecnologia Industrial em Garching, os cientistas já produziram vários gramas de quatro objetos de origami de DNA diferentes. Aumentar a escala do processo para uma escala de metros cúbicos agora está ao nosso alcance.

"A interação da biotecnologia e da tecnologia de processo permitiu, assim, estabelecer um marco verdadeiramente fundamental no caminho para futuras aplicações em nanotecnologia de DNA, "diz o professor Dirk Weuster-Botz, Presidente do Instituto de Engenharia Bioquímica.