Pesquisadores do MIT e da Arizona State University desenvolveram um programa de computador que permite aos usuários traduzir qualquer desenho de forma livre em um desenho bidimensional, estrutura em nanoescala feita de DNA.

Até agora, projetar tais estruturas exigiu conhecimentos técnicos que colocam o processo fora do alcance da maioria das pessoas. Usando o novo programa, qualquer um pode criar uma nanoestrutura de DNA de qualquer forma, para aplicações em biologia celular, fotônica, e sensoriamento quântico e computação, entre muitos outros.

"O que este trabalho faz é permitir que qualquer pessoa desenhe literalmente qualquer forma 2-D e a converta em origami de DNA automaticamente, "diz Mark Bathe, professor associado de engenharia biológica no MIT e autor sênior do estudo.

Os pesquisadores publicaram suas descobertas na edição de 4 de janeiro da Avanços da Ciência , e o programa, chamado PERDIX, está disponível online. Os principais autores do artigo são Hyungmin Jun, um pós-doutorado no MIT, e Fei Zhang, professor assistente de pesquisa na Arizona State University. Outros autores são Tyson Shepherd, associado de pesquisa do MIT, recente MIT Ph.D. destinatário Sakul Ratanalert, Xiaodong Qi, cientista assistente de pesquisa da ASU, e o professor da ASU Hao Yan.

Design automatizado

Origami de DNA, a ciência de dobrar o DNA em estruturas minúsculas, originado no início dos anos 1980, quando Ned Seeman, da Universidade de Nova York, propôs tirar vantagem das habilidades de emparelhamento de bases do DNA para criar arranjos moleculares arbitrários. Em 2006, Paul Rothemund da Caltech criou o primeiro andaime, estruturas bidimensionais de DNA, tecendo uma longa fita única de DNA (a estrutura) através da forma de tal forma que as fitas de DNA conhecidas como "grampos" se hibridizassem para ajudar a estrutura geral a manter sua forma.

Outros, mais tarde, usaram uma abordagem semelhante para criar estruturas complexas de DNA tridimensional. Contudo, todos esses esforços exigiam um projeto manual complicado para direcionar o andaime por toda a estrutura e gerar as sequências dos fios básicos. Em 2016, Bathe e seus colegas desenvolveram uma maneira de automatizar o processo de geração de uma estrutura de DNA poliédrica 3-D, e neste novo estudo, eles se propuseram a automatizar o projeto de estruturas arbitrárias de DNA 2-D.

Para conseguir isso, eles desenvolveram uma nova abordagem matemática para o processo de roteamento do andaime de fita simples por toda a estrutura para formar a forma correta. O programa de computador resultante pode pegar qualquer desenho de forma livre e traduzi-lo na sequência de DNA para criar essa forma e nas sequências das fitas básicas.

A forma pode ser esboçada em qualquer programa de desenho de computador e então convertida em um arquivo de desenho auxiliado por computador (CAD), que é alimentado no programa de design do DNA. "Assim que tiver esse arquivo, tudo é automático, muito parecido com a impressão, mas aqui a tinta é DNA, "Bathe diz.

Depois que as sequências são geradas, o usuário pode solicitar que fabriquem facilmente a forma especificada. Nesse artigo, os pesquisadores criaram formas nas quais todas as bordas consistem em dois duplexes de DNA, mas eles também têm um programa de trabalho que pode utilizar seis duplexes por borda, que são mais rígidos. A ferramenta de software correspondente para poliedros 3-D, chamado TALOS, está disponível online e será publicado em breve na revista ACS Nano. As formas, que variam de 10 a 100 nanômetros de tamanho, pode permanecer estável por semanas ou meses, suspenso em uma solução tampão.

"O fato de podermos projetar e fabricar de uma forma muito simples ajuda a resolver um grande gargalo em nosso campo, "Bathe diz." Agora o campo pode fazer a transição para grupos muito mais amplos de pessoas na indústria e na academia, sendo capazes de funcionalizar estruturas de DNA e implantá-las em diversas aplicações ".

Padrões em nanoescala

Como os pesquisadores têm um controle tão preciso sobre a estrutura das partículas de DNA sintético, eles podem anexar uma variedade de outras moléculas em locais específicos. Isso poderia ser útil para modelar antígenos em padrões de nanoescala para lançar luz sobre como as células imunológicas reconhecem e são ativadas por arranjos específicos de antígenos encontrados em vírus e bactérias.

"Como os padrões em nanoescala de antígenos são reconhecidos pelas células do sistema imunológico é uma área da imunologia muito mal compreendida, "Bathe diz." Anexar antígenos a superfícies de DNA estruturadas para exibi-los em padrões organizados é uma maneira poderosa de investigar essa biologia. "

Outra aplicação importante é projetar circuitos de coleta de luz que imitam os complexos fotossintéticos encontrados nas plantas. Para conseguir isso, os pesquisadores estão anexando corantes sensíveis à luz, conhecidos como cromóforos, em estruturas de DNA. Além de colher luz, tais circuitos também poderiam ser usados ​​para realizar a detecção quântica e cálculos rudimentares. Se for bem sucedido, estes seriam os primeiros circuitos de computação quântica que podem operar em temperatura ambiente, Banho diz.