Os engenheiros desenvolveram uma técnica que lhes permite colocar com precisão dispositivos microscópicos formados a partir de moléculas de DNA dobradas, não apenas em um local específico, mas também em uma orientação específica.

Como prova de conceito, eles organizaram mais de 3, 000 dispositivos moleculares em nanoescala em forma de lua brilhando em um instrumento em forma de flor para indicar a polarização da luz. Cada uma das 12 pétalas apontadas em uma direção diferente ao redor do centro da flor, e dentro de cada pétala cerca de 250 luas estavam alinhadas na direção da pétala. Porque cada lua só brilha quando atingida pela luz polarizada combinando com sua orientação, o resultado final é uma flor cujas pétalas se iluminam em sequência à medida que a polarização da luz incidida sobre ela é girada. A flor, que se estende por uma distância menor que a largura de um cabelo humano, demonstra que milhares de moléculas podem ser orientadas de forma confiável na superfície de um chip.

Este método para posicionar e orientar precisamente dispositivos moleculares baseados em DNA pode tornar possível o uso desses dispositivos moleculares para alimentar novos tipos de chips que integram biossensores moleculares com óptica e eletrônica para aplicações como sequenciamento de DNA ou medição das concentrações de milhares de proteínas em uma vez.

A pesquisa, publicado em 19 de fevereiro pela revista Ciência , baseia-se em mais de 15 anos de trabalho de Paul Rothemund da Caltech (BS '94), professor pesquisador de bioengenharia, computação e ciências matemáticas, e sistemas de computação e neurais, e seus colegas. Em 2006, Rothemund mostrou que o DNA pode ser direcionado para se dobrar em formas precisas por meio de uma técnica chamada de origami de DNA. Em 2009, Rothemund e colegas da IBM Research Almaden descreveram uma técnica por meio da qual o origami de DNA pode ser posicionado em locais precisos nas superfícies. Para fazer isso, eles usaram um processo de impressão baseado em feixes de elétrons e criaram manchas "pegajosas" com o mesmo tamanho e formato do origami. Em particular, eles mostraram que os triângulos de origami vinculavam-se precisamente no local de manchas adesivas triangulares.

Próximo, Rothemund e Ashwin Gopinath, ex-bolsista sênior de pós-doutorado da Caltech e agora professor assistente do MIT, refinou e ampliou esta técnica para demonstrar que dispositivos moleculares construídos a partir de origami de DNA poderiam ser integrados de forma confiável em dispositivos ópticos maiores. "A barreira tecnológica tem sido como organizar de forma reproduzível um grande número de dispositivos moleculares nos padrões certos nos tipos de materiais usados ​​nos chips, "diz Rothemund.

Em 2016, Rothemund e Gopinath mostraram que origami triangular carregando moléculas fluorescentes poderia ser usado para reproduzir um 65, Versão de 000 pixels de The Starry Night, de Vincent van Gogh. Nesse trabalho, origami de DNA triangular foram usados ​​para posicionar moléculas fluorescentes dentro de ressonadores ópticos do tamanho de bactérias; o posicionamento preciso das moléculas fluorescentes era crítico, já que um movimento de apenas 100 nanômetros para a esquerda ou para a direita escureceria ou iluminaria o pixel em mais de cinco vezes.

Mas a técnica tinha um calcanhar de Aquiles:"Como os triângulos eram equiláteros e eram livres para girar e virar de cabeça para baixo, eles podem se prender no remendo triangular pegajoso na superfície de qualquer uma das seis maneiras diferentes. Isso significava que não podíamos usar nenhum dispositivo que exigisse uma orientação específica para funcionar. Ficamos presos a dispositivos que funcionariam igualmente bem quando apontados para cima, baixa, ou em qualquer direção, ", diz Gopinath. Dispositivos moleculares destinados ao sequenciamento de DNA ou medição de proteínas têm absolutamente que pousar com o lado certo para cima, portanto, as técnicas mais antigas da equipe estragariam 50% dos dispositivos. Para dispositivos que também requerem uma orientação rotacional única, como transistores, apenas 16 por cento funcionariam.

O primeiro problema a resolver, então, era fazer com que o origami de DNA pousasse de forma confiável com o lado correto voltado para cima. "É um pouco como garantir que a torrada sempre coloque magicamente a manteiga para cima quando jogada no chão, "diz Rothemund. Para a surpresa dos pesquisadores, revestir o origami com um tapete de fios de DNA flexíveis de um lado permitiu que mais de 95% deles pousassem com a face para cima. Mas o problema de controlar a rotação permaneceu. Triângulos retângulos com três comprimentos de borda diferentes foram a primeira tentativa dos pesquisadores de uma forma que pudesse se encaixar na rotação preferida.

Contudo, depois de lutar para conseguir que apenas 40 por cento dos triângulos retângulos apontem na orientação correta, Gopinath recrutou cientistas da computação Chris Thachuk, da Universidade de Washington, co-autor do artigo da Science, e um ex-pós-doutorado em Caltech; e David Kirkpatrick da University of British Columbia, também co-autor do Ciência papel. Seu trabalho era encontrar uma forma que só ficaria presa na orientação pretendida, não importa em que orientação ele possa pousar. A solução dos cientistas da computação foi um disco com um orifício fora do centro, que os pesquisadores chamaram de "pequena lua". As provas matemáticas sugeriram que, ao contrário de um triângulo retângulo, luas pequenas podem girar suavemente para encontrar o melhor alinhamento com sua mancha adesiva sem ficar presa. Experimentos de laboratório verificaram que mais de 98 por cento das pequenas luas encontraram a orientação correta em suas manchas pegajosas.

A equipe então adicionou moléculas fluorescentes especiais que se prendem firmemente nas hélices de DNA das pequenas luas, perpendicular ao eixo das hélices. Isso garantiu que as moléculas fluorescentes dentro de uma lua estivessem todas orientadas na mesma direção e brilhassem mais intensamente quando estimuladas com a luz de uma polarização específica. "É como se cada molécula carregasse uma pequena antena, que pode aceitar a energia da luz de forma mais eficiente apenas quando a polarização da luz corresponde à orientação da antena, "diz Gopinath. Esse efeito simples é o que possibilitou a construção da flor sensível à polarização.

Com métodos robustos para controlar a orientação up-down e rotacional do origami de DNA, uma ampla gama de dispositivos moleculares pode agora ser integrada de forma barata em chips de computador em alto rendimento para uma variedade de aplicações potenciais. Por exemplo, Rothemund e Gopinath fundaram uma empresa, Palamedrix, comercializar a tecnologia de construção de chips semicondutores que possibilitem o estudo simultâneo de todas as proteínas relevantes para a saúde humana. Caltech entrou com pedidos de patente para o trabalho.