p (Phys.org) —Ao anexar sequências curtas de DNA de fita simples a blocos de construção em nanoescala, os pesquisadores podem projetar estruturas que possam construir a si próprios com eficácia. Os blocos de construção que se destinam a se conectar têm sequências de DNA complementares em suas superfícies, garantindo que apenas as peças corretas se liguem à medida que se chocam umas nas outras enquanto estão suspensas em um tubo de ensaio. p Agora, uma equipe da Universidade da Pensilvânia fez uma descoberta com implicações para todas essas estruturas automontadas.

p Trabalhos anteriores presumiram que o meio líquido no qual essas peças revestidas de DNA flutuam poderia ser tratado como um vácuo plácido, mas a equipe da Penn mostrou que a dinâmica dos fluidos desempenha um papel crucial no tipo e na qualidade das estruturas que podem ser feitas dessa maneira.

p À medida que as peças revestidas de DNA se reorganizam e se ligam, eles criam fluxos de deslizamento em que outras peças podem fluir. Esse fenômeno torna alguns padrões dentro das estruturas mais prováveis ​​de se formar do que outros.

p A pesquisa foi conduzida pelos professores Talid Sinno e John Crocker, ao lado dos alunos de pós-graduação Ian Jenkins, Marie Casey e James McGinley, todos do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Penn.

p Foi publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences .

p A descoberta da equipe da Penn começou com uma observação incomum sobre um de seus estudos anteriores, que lidava com uma estrutura cristalina reconfigurável que a equipe havia feito usando esferas de plástico revestidas de DNA, cada 400 nanômetros de largura. Essas estruturas inicialmente montam em cristais flexíveis com padrões em forma de quadrado, mas, em um processo semelhante ao de tratamento térmico de aço, seus padrões podem ser persuadidos a ficar mais estáveis, configurações triangulares.

p Surpreendentemente, as estruturas que eles estavam fazendo no laboratório eram melhores do que as que suas simulações de computador previram. Os cristais simulados estavam cheios de defeitos, lugares onde o padrão cristalino das esferas foi rompido, mas os cristais cultivados experimentalmente estavam todos perfeitamente alinhados.

p Embora esses cristais perfeitos fossem um sinal positivo de que a técnica poderia ser ampliada para construir diferentes tipos de estruturas, o fato de que suas simulações eram evidentemente falhas indicava um grande obstáculo.

p "O que você vê em um experimento, "Sinno disse, "geralmente é uma versão mais suja do que você vê na simulação. Precisamos entender por que essas ferramentas de simulação não estão funcionando se vamos construir coisas úteis com esta tecnologia, e esse resultado foi uma evidência de que ainda não entendemos totalmente esse sistema. Não era apenas um detalhe de simulação que estava faltando; há um mecanismo físico fundamental que não incluímos. "

p Por processo de eliminação, o mecanismo físico ausente acabou sendo efeitos hidrodinâmicos, essencialmente, a interação entre as partículas e o fluido no qual estão suspensas durante o crescimento. A simulação da hidrodinâmica de um sistema é crítica quando o fluido está fluindo, como a forma como as rochas são moldadas por um rio caudaloso, mas foi considerado irrelevante quando o fluido está parado, como era nos experimentos dos pesquisadores. Enquanto o choque das partículas perturba o meio, o sistema permanece em equilíbrio, sugerindo que o efeito geral é insignificante.

p "A sabedoria convencional, "Crocker disse, "foi que você não precisa considerar os efeitos hidrodinâmicos nesses sistemas. Adicioná-los às simulações é computacionalmente caro, e existem vários tipos de provas de que esses efeitos não alteram a energia do sistema. A partir daí, você pode saltar para dizer, 'Eu não preciso me preocupar com eles.' "

p Sistemas de partículas como os feitos por essas esferas revestidas de DNA que se auto-organizam normalmente se reorganizam até atingirem o estado de energia mais baixo. Uma característica incomum do sistema dos pesquisadores é que existem milhares de configurações finais - a maioria contendo defeitos - que são tão energeticamente favoráveis ​​quanto a perfeita que produziram no experimento.

p "É como se você estivesse em uma sala com mil portas, "Crocker disse." Cada uma dessas portas leva você a uma estrutura diferente, apenas um deles é o cristal de cobre-ouro que realmente obtemos. Sem a hidrodinâmica, é igualmente provável que a simulação o envie por qualquer uma dessas portas. "

p A descoberta dos pesquisadores veio quando eles perceberam que, embora os efeitos hidrodinâmicos não tornassem nenhuma configuração final mais favorável em termos de energia do que outra, as diferentes maneiras pelas quais as partículas precisariam se reorganizar para chegar a esses estados não eram todas igualmente fáceis. Criticamente, é mais fácil para uma partícula fazer um certo rearranjo se estiver seguindo o rastro de outra partícula fazendo os mesmos movimentos.

p "É como um turbilhão, "Crocker disse." A maneira como as partículas se movem juntas, é como se eles fossem um cardume de peixes. "

p "Como você vai determina o que você ganha, "Sinno disse." Existem certos caminhos que têm muito mais deslizamento do que outros, e os caminhos que têm muito correspondem às configurações finais que observamos no experimento. "

p Os pesquisadores acreditam que esta descoberta estabelecerá a base para trabalhos futuros com esses blocos de construção revestidos de DNA, mas o princípio descoberto em seu estudo provavelmente será válido em outras situações em que partículas microscópicas estão suspensas em um meio líquido.

p "Se o slipstream é importante aqui, é provável que seja importante em outras montagens de partículas, "Sinno disse. Não é apenas sobre essas partículas ligadas ao DNA; é sobre qualquer sistema onde você tenha partículas nesta escala de tamanho. Para realmente entender o que você obtém, você precisa incluir a hidrodinâmica. "