p Embora a principal tarefa do DNA nas células seja transportar informações genéticas de uma geração para a seguinte, alguns cientistas também vêem a molécula altamente estável e programável como um material de construção ideal para estruturas em nanoescala que podem ser usadas para fornecer medicamentos, atuam como biossensores, realizar fotossíntese artificial e muito mais. p Tentar construir estruturas de DNA em grande escala já foi considerado impensável. Mas cerca de cinco anos atrás, O bioengenheiro computacional da Caltech, Paul Rothemund, apresentou uma nova estratégia de design chamada origami de DNA:a construção de formas bidimensionais a partir de uma fita de DNA dobrada sobre si mesma e protegida por curtos fios "básicos". Vários anos depois, O laboratório de William Shih na Harvard Medical School traduziu este conceito para três dimensões, permitindo o projeto de estruturas curvas e dobradas complexas que abriram novos caminhos para o projeto biológico sintético em nanoescala.

p Um grande obstáculo para esses designs cada vez mais complexos é a automação do processo de design. Agora uma equipe do MIT, liderado pelo engenheiro biológico Mark Bathe, desenvolveu um software que torna mais fácil prever a forma tridimensional que resultará de um determinado modelo de DNA. Embora o software não automatize totalmente o processo de design, torna consideravelmente mais fácil para os designers criarem estruturas 3-D complexas, controlando sua flexibilidade e potencialmente sua estabilidade de dobramento.

p “Em última análise, buscamos uma ferramenta de design onde você possa começar com uma imagem da forma tridimensional complexa de interesse, e o algoritmo procura combinações de sequência ideais, ”Diz Bathe, o Samuel A. Goldblith Professor Assistente de Biologia Aplicada. “Para tornar essa tecnologia de nanomontagem disponível para a comunidade mais ampla - incluindo biólogos, químicos, e cientistas de materiais sem experiência na técnica de origami de DNA - a ferramenta computacional precisa ser totalmente automatizada, com um mínimo de contribuição ou intervenção humana. ”

p Bathe e seus colegas descreveram seu novo software na edição de 25 de fevereiro da Métodos da Natureza . Nesse papel, eles também fornecem uma cartilha sobre a criação de origami de DNA com o colaborador Hendrik Dietz na Technische Universitaet Muenchen. “Um gargalo para tornar a tecnologia mais amplamente útil é que apenas um pequeno grupo de pesquisadores especializados são treinados em design de origami de DNA de andaimes, ”Bathe diz.

p DNA de programação

p O DNA consiste em uma cadeia de quatro bases de nucleotídeos conhecidas como A, T, G e C, que tornam a molécula fácil de programar. De acordo com as regras da natureza, A se liga apenas a T, e G apenas com C. “Com DNA, em pequena escala, você pode programar essas sequências para se automontar e dobrar em uma estrutura final muito específica, com fios separados reunidos para fazer objetos de grande escala, ”Bathe diz.

p A estratégia de design de origami de Rothemund é baseada na ideia de fazer uma longa fita de DNA se dobrar em duas dimensões, como se colocado em uma superfície plana. Em seu primeiro artigo descrevendo o método, ele usou um genoma viral que consiste em aproximadamente 8, 000 nucleotídeos para criar estrelas 2-D, triângulos e rostos sorridentes.

p Essa única fita de DNA serve como um “andaime” para o resto da estrutura. Centenas de fios mais curtos, cada um com cerca de 20 a 40 bases de comprimento, combinar com o andaime para mantê-lo em seu final, forma dobrada.

p “O DNA é, de muitas maneiras, mais adequado para a automontagem do que as proteínas, cujas propriedades físicas são difíceis de controlar e sensíveis ao ambiente, ”Bathe diz.

p O novo programa de software de Bathe faz interface com um programa de software do laboratório de Shih chamado caDNAno, que permite aos usuários criar manualmente origami de DNA em formato de estrutura a partir de um layout bidimensional. O novo programa, apelidado de CanDo, pega o projeto 2-D de caDNAno e prevê a forma 3-D final do design. Esta forma resultante muitas vezes não é intuitiva, Banho diz, porque o DNA é um objeto flexível que torce, se dobra e se estica à medida que se dobra para formar uma forma 3D complexa.

p De acordo com Rothemund, o programa CanDo deve permitir que os designers de origami de DNA testem mais profundamente suas estruturas de DNA e ajustem-nas para dobrar corretamente. “Embora tenhamos sido capazes de projetar a forma das coisas, não tivemos ferramentas para projetar e analisar facilmente as tensões e deformações nessas formas ou projetá-las para fins específicos, ”Diz ele.

p No nível molecular, estresse na dupla hélice do DNA diminui a estabilidade de dobramento da estrutura e introduz defeitos locais, ambos têm dificultado o progresso no campo de origami de DNA de andaimes.

p O pesquisador de pós-doutorado Do-Nyun Kim e o estudante de graduação Matthew Adendorff, ambos do laboratório Bathe, agora estão promovendo as capacidades da CanDo e otimizando o processo de design de origami de DNA de andaimes.

p Construindo ferramentas em nanoescala

p Assim que os cientistas tiverem uma maneira confiável de montar estruturas de DNA, a próxima questão é o que fazer com eles. Um aplicativo com o qual os cientistas estão entusiasmados é um "portador de DNA" que pode transportar drogas para destinos específicos no corpo, como tumores, onde o transportador liberaria a carga com base em um sinal químico específico da célula cancerosa alvo.

p Outra possível aplicação do origami de DNA com estrutura pode ajudar a reproduzir parte do aparato de coleta de luz das células fotossintéticas das plantas. Os pesquisadores esperam recriar essa série complexa de cerca de 20 subunidades de proteínas, mas para fazer isso, os componentes devem ser mantidos juntos em posições e orientações específicas. É aí que o origami de DNA pode entrar.

p “O origami de DNA permite a construção em nanoescala de arranjos arquitetônicos muito precisos. Os pesquisadores estão explorando essa propriedade única para buscar uma série de aplicações em nanoescala, incluindo uma fotocélula sintética, ”Bathe diz. “Embora aplicativos como este ainda estejam muito longe no horizonte, acreditamos que as ferramentas de software de engenharia preditiva são essenciais para o progresso nesta direção. ”

p As novas inscrições também podem surgir de uma nova competição que está sendo realizada em Harvard neste verão, chamado BIOMOD. Equipes de graduação de cerca de uma dúzia de escolas, incluindo MIT, Harvard e Caltech, tentará projetar biomoléculas em nanoescala para robótica, computação e outras aplicações.

p Enquanto isso, A Bathe está se concentrando no desenvolvimento do CanDo para permitir o design automatizado de origami de DNA. “Assim que você tiver uma ferramenta computacional automatizada que permite projetar formas complexas de maneira precisa, Acho que estamos em uma posição muito melhor para explorar essa tecnologia para aplicações interessantes, ”Diz ele.

p Para que o origami de DNA tenha um amplo impacto, precisa se tornar rotina simplesmente pedir peças de DNA para construir qualquer configuração que você possa imaginar, Banho diz. Ele observa:“Uma vez que os não especialistas podem projetar nanoestruturas 3-D arbitrárias usando origami de DNA, sua imaginação pode correr livremente. ”

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Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.