Em 2006, Paul Rothemund da Caltech (BS '94) - agora professor pesquisador de bioengenharia, computação e ciências matemáticas, e computação e sistemas neurais - desenvolveram um método para dobrar uma longa fita de DNA em uma forma prescrita. A tecnica, apelidado de origami de DNA, permitiu que os cientistas criassem estruturas de DNA de automontagem que poderiam carregar qualquer padrão especificado, como um rosto sorridente de 100 nanômetros.

O origami de DNA revolucionou o campo da nanotecnologia, abrindo possibilidades de construção de dispositivos moleculares minúsculos ou materiais programáveis ​​"inteligentes". Contudo, algumas dessas aplicações requerem estruturas de origami de DNA muito maiores.

Agora, cientistas do laboratório de Lulu Qian, professor assistente de bioengenharia da Caltech, desenvolveram um método barato pelo qual origami de DNA se auto-monta em grandes matrizes com padrões totalmente personalizáveis, criando uma espécie de tela que pode exibir qualquer imagem. Para demonstrar isso, a equipe criou a menor recriação do mundo da Mona Lisa de Leonardo da Vinci - a partir do DNA.

O trabalho é descrito em artigo publicado na edição de 7 de dezembro da revista. Natureza .

Embora o DNA seja talvez mais conhecido por codificar a informação genética dos seres vivos, a molécula também é um excelente bloco de construção químico. Uma molécula de DNA de fita simples é composta de moléculas menores chamadas nucleotídeos - abreviado A, T, C, e G - arranjados em uma corda, ou sequência. Os nucleotídeos em uma molécula de DNA de fita simples podem se ligar com os de outra fita simples para formar o DNA de fita dupla, mas os nucleotídeos se ligam apenas de maneiras muito específicas:um nucleotídeo A com um T ou um nucleotídeo C com um G. Essas "regras" estritas de emparelhamento de bases tornam possível projetar origami de DNA.

Para fazer um único quadrado de origami de DNA, basta uma única fita longa de DNA e muitas fitas simples mais curtas - chamadas de grampos - projetadas para se ligar a vários locais designados na fita longa. Quando os grampos curtos e o fio longo são combinados em um tubo de ensaio, os grampos juntam as regiões do fio longo, fazendo com que ele se dobre na forma desejada. Uma grande tela de DNA é montada com muitos ladrilhos de origami quadrados menores, como montar um quebra-cabeça. As moléculas podem ser anexadas seletivamente aos grampos para criar um padrão elevado que pode ser visto usando microscopia de força atômica.

A equipe Caltech desenvolveu um software que pode tirar uma imagem como a Mona Lisa, divida-o em pequenas seções quadradas, e determinar as sequências de DNA necessárias para formar esses quadrados. Próximo, o desafio deles era fazer com que essas seções se montassem em uma superestrutura que recria a Mona Lisa.

"Poderíamos fazer cada ladrilho com grampos de borda exclusivos para que eles pudessem apenas se ligar a alguns outros ladrilhos e se automontar em uma posição única na superestrutura, "explica Grigory Tikhomirov, bolsista sênior de pós-doutorado e principal autor do artigo, "mas então teríamos que ter centenas de arestas exclusivas, o que seria não apenas muito difícil de projetar, mas também extremamente caro para sintetizar. Queríamos usar apenas um pequeno número de grampos de borda diferentes, mas ainda assim colocar todos os ladrilhos nos lugares certos. "

A chave para fazer isso era montar os ladrilhos em etapas, como montar pequenas regiões de um quebra-cabeça e depois montá-las para fazer regiões maiores antes de finalmente juntar as regiões maiores para fazer o quebra-cabeça completo. Cada mini-quebra-cabeça utiliza as mesmas quatro arestas, mas porque esses quebra-cabeças são montados separadamente, não há risco, por exemplo, de um ladrilho de canto anexado no canto errado. A equipe chamou o método de "montagem fractal" porque o mesmo conjunto de regras de montagem é aplicado em escalas diferentes.

"Depois de sintetizar cada bloco individual, colocamos cada um em seu próprio tubo de ensaio para um total de 64 tubos, "diz Philip Petersen, um estudante de pós-graduação e co-primeiro autor no artigo. "Nós sabemos exatamente quais ladrilhos estão em quais tubos, então sabemos como combiná-los para montar o produto final. Primeiro, combinamos o conteúdo de quatro tubos específicos até obtermos 16 quadrados dois por dois. Em seguida, esses são combinados de uma determinada maneira para obter quatro tubos, cada um com um quadrado de quatro por quatro. E então os quatro tubos finais são combinados para criar um grande, quadrado de oito por oito composto por 64 ladrilhos. Projetamos as bordas de cada ladrilho para saber exatamente como eles se combinam. "

A estrutura final da equipe Qian era 64 vezes maior do que a estrutura original do origami de DNA projetada por Rothemund em 2006. Notavelmente, graças à reciclagem das mesmas interações de borda, o número de fitas de DNA diferentes necessárias para a montagem dessa superestrutura de DNA era quase o mesmo do origami original de Rothemund. Isso deve tornar o novo método igualmente acessível, de acordo com Qian.

"A natureza hierárquica de nossa abordagem permite o uso de apenas um conjunto pequeno e constante de blocos de construção exclusivos, neste caso, fitas de DNA com sequências únicas, construir estruturas com tamanhos crescentes e, em princípio, um número ilimitado de pinturas diferentes, "diz Tikhomirov." Esta abordagem econômica de construir mais com menos é semelhante a como nossos corpos são construídos. Todas as nossas células têm o mesmo genoma e são construídas usando o mesmo conjunto de blocos de construção, como aminoácidos, carboidratos, e lipídios. Contudo, via expressão gênica variável, cada célula usa os mesmos blocos de construção para construir máquinas diferentes, por exemplo, células musculares e células da retina. "

A equipe também criou um software para permitir que cientistas de todos os lugares criem nanoestruturas de DNA usando a montagem fractal.

"Para tornar nossa técnica prontamente acessível a outros pesquisadores interessados ​​em explorar aplicações que usam nanoestruturas de DNA planas em escala micrométrica, desenvolvemos uma ferramenta de software online que converte a imagem desejada pelo usuário em fitas de DNA e protocolos de laboratório úmido, "diz Qian." O protocolo pode ser lido diretamente por um robô que manipula líquidos para misturar automaticamente os filamentos de DNA. A nanoestrutura do DNA pode ser montada sem esforço. "

Usando esta ferramenta de software online e técnicas automáticas de manuseio de líquidos, vários outros padrões foram projetados e montados a partir de fitas de DNA, incluindo um retrato em tamanho real de uma bactéria e um retrato em tamanho de uma bactéria de um galo.

"Outros pesquisadores já trabalharam na ligação de diversas moléculas, como polímeros, proteínas, e nanopartículas a telas de DNA muito menores com a finalidade de construir circuitos eletrônicos com recursos minúsculos, fabricando materiais avançados, ou estudar as interações entre produtos químicos ou biomoléculas, "diz Petersen." Nosso trabalho dá a eles uma tela ainda maior para desenhar. "