p alguns não maiores do que vírus - foram construídos por meio de uma técnica revolucionária conhecida como origami de DNA. Agora, Hao Yan, Yan Liu e seus colegas do Instituto de Biodesign da Universidade do Estado do Arizona expandiram a capacidade desse método de construção arbitrária, formas bidimensionais e tridimensionais, imitando aqueles comumente encontrados na natureza. p Essas formas diminutas podem, em última análise, encontrar seu caminho em uma ampla gama de dispositivos, de componentes de computação ultra-minúsculos a sentinelas nanomédicas usadas para alvejar e destruir células aberrantes ou administrar terapias em nível celular ou mesmo molecular.

p Na edição de hoje da Science, o grupo Yan descreve uma abordagem que capitaliza (e amplia) o potencial arquitetônico do DNA. O novo método é um passo importante na direção da construção de estruturas em nanoescala com curvatura complexa - um feito que escapou aos métodos convencionais de origami de DNA. “Estamos interessados ​​em desenvolver uma estratégia para reproduzir as formas complexas da natureza, "disse Yan.

p A técnica de origami de DNA foi introduzida em 2006 pelo cientista da computação Paul W.K. Rothemund of Caltech. Ele se baseia nas propriedades de automontagem dos quatro pares de bases complementares do DNA, que unem os fios da famosa dupla hélice da molécula. Quando esses nucleotídeos, rotulado como A, T, C, e G, interagir, eles se juntam de acordo com uma fórmula simples - A sempre emparelha com T e
C com G.

p Nanodesigners como Yan tratam a molécula de DNA como um material de construção versátil - que eles esperam pegar emprestado da natureza e adaptar para novos propósitos. No origami de DNA tradicional, uma forma bidimensional é primeiro conceituada e desenhada. Este contorno poligonal é então preenchido usando segmentos curtos de DNA de fita dupla, dispostos em paralelo. Esses segmentos podem ser comparados a pixels - elementos digitais usados ​​para criar palavras e imagens exibidas na tela do computador.

p De fato, Rothemund e outros foram capazes de usar segmentos de DNA semelhantes a pixels para compor uma variedade de formas bidimensionais elegantes, (estrelas, rombóides, formas de floco de neve, rostos sorridentes, palavras simples e até mapas), bem como algumas estruturas tridimensionais rudimentares. Cada um deles se baseia em regras simples de pareamento de base de nucleotídeo de orientação de automontagem.

p Uma vez que a forma desejada foi enquadrada por um comprimento de DNA de fita simples, Curtas "fitas" de DNA integram a estrutura e agem como a cola para manter a forma desejada. A sequência de nucleotídeos da fita de arcabouço é composta de tal forma que atravessa cada hélice do projeto, como um fio de serpentina tecendo uma colcha de retalhos de tecido. Reforço adicional é fornecido pelos fios básicos, que também são pré-projetados para anexar às regiões desejadas da estrutura acabada, por meio do emparelhamento de bases.

p "Para fazer objetos curvos, é necessário ir além da aproximação da curvatura em pixels retangulares. As pessoas da área estão interessadas neste problema. Por exemplo, O grupo de William Shih na Harvard Medical School recentemente usou a inserção e exclusão direcionadas de pares de bases em segmentos selecionados dentro de um bloco de construção 3D para induzir a curvatura desejada. No entanto, continua sendo uma tarefa difícil projetar curvaturas sutis em uma superfície 3D, "afirmou Yan.

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p "Nosso objetivo é desenvolver princípios de design que permitirão aos pesquisadores modelar formas 3D arbitrárias com controle sobre o grau de curvatura da superfície. Em uma fuga de um modelo de rede rígida, nossa estratégia versátil começa definindo as características de superfície desejadas de um objeto alvo com o andaime, seguido pela manipulação da conformação do DNA e modelagem de redes cruzadas para alcançar o projeto, "Liu disse.

p Para alcançar esta ideia, O aluno de graduação de Yan, Dongran Han, começou fazendo estruturas simples de anéis concêntricos bidimensionais, cada anel formado a partir de uma dupla hélice de DNA. Os anéis concêntricos são unidos por meio de pontos de cruzamento estrategicamente colocados. Estas são regiões onde uma das fitas em uma dada hélice dupla muda para um anel adjacente, preencher a lacuna entre as hélices concêntricas. Esses cruzamentos ajudam a manter a estrutura dos anéis concêntricos, impedindo o DNA de se estender.

p A variação do número de nucleotídeos entre os pontos de cruzamento e a colocação de cruzamentos permite que o designer combine elementos pontiagudos e arredondados em uma única forma 2D, como pode ser visto na figura 1 a &b, (com imagens de acompanhamento produzidas por microscopia de força atômica, revelando as estruturas reais que se formaram por meio da automontagem). Uma variedade de projetos 2D, incluindo um anel aberto de 9 camadas e uma estrela de três pontas, foi produzido.

p A rede de pontos de cruzamento também pode ser projetada de forma a produzir combinações de curvatura no plano e fora do plano, permitindo o projeto de nanoestruturas 3D curvas. Embora este método mostre uma versatilidade considerável, o intervalo de curvatura ainda é limitado para o DNA da forma B padrão, que não tolera grandes desvios de sua configuração preferida - 10,5 pares de base / volta. Contudo, como Jeanette Nangreave, um dos co-autores do artigo explica, "Hao reconheceu que se você pudesse torcer ligeiramente mais ou menos essas hélices, você poderia produzir diferentes ângulos de dobra. "

p Combinando o método de hélices concêntricas com tal DNA não-B (com 9-12 pares de bases / volta), permitiu ao grupo produzir formulários sofisticados, incluindo esferas, hemisférios, conchas elipsóides e, finalmente, como um tour de force do nanodesign, um nanoflask de fundo redondo, que aparece inequivocamente em uma série de imagens surpreendentes de microscopia eletrônica de transmissão (ver figura 1, c-f)

p "Este é um bom exemplo de trabalho em equipe em que cada membro traz suas habilidades únicas para o projeto para fazer as coisas acontecerem." Os outros autores incluem Suchetan Pal e Zhengtao Deng, que também fez contribuições significativas na imagem das estruturas.

p Yan espera expandir ainda mais a gama de nanoformas possíveis por meio da nova técnica. Eventualmente, isso exigirá comprimentos maiores de DNA de fita simples, capazes de fornecer a estrutura necessária para maiores, estruturas mais elaboradas. Ele credita a seu brilhante aluno (e o primeiro autor do artigo) Dongran Han a notável habilidade de conceituar nanoformas 2 e 3D e navegar pelos detalhes freqüentemente desconcertantes de seu design. Em última análise, no entanto, nanoarquiteturas mais sofisticadas exigirão programas de design auxiliados por computador - uma área que a equipe está buscando ativamente.

p O sucesso da construção do fechado, Nanoformas 3D como a esfera abriram a porta para muitas possibilidades interessantes para a tecnologia, particularmente no domínio biomédico. Nanoesferas podem ser introduzidas em células vivas, por exemplo, liberando seu conteúdo sob a influência de endonucleases ou outros componentes digestivos. Outra estratégia pode usar esferas como nanorreatores - locais onde produtos químicos ou grupos funcionais podem ser reunidos para acelerar reações ou realizar outras manipulações químicas.