Os mais recentes nanodispositivos de DNA criados na Technische Universitaet Muenchen (TUM), incluindo um robô com braços móveis, um livro que abre e fecha, uma engrenagem comutável, e um atuador - pode ser intrigante por si só, Mas esse não é o ponto. Eles demonstram um avanço na ciência de usar o DNA como um material de construção programável para estruturas e máquinas em escala nanométrica. Resultados publicados na revista Ciência revelam uma nova abordagem para unir - e reconfigurar - unidades de construção 3D modulares, juntando formas complementares em vez de juntar sequências de pares de bases. Isso não apenas abre caminho para nanomáquinas práticas com peças móveis, mas também oferece um kit de ferramentas que facilita a programação de sua automontagem.

O campo popularmente conhecido como "origami de DNA, "em referência à arte tradicional japonesa de dobrar papel, está avançando rapidamente em direção a aplicações práticas, de acordo com TUM Prof. Hendrik Dietz. No início deste mês, Dietz recebeu o prêmio de pesquisa mais importante da Alemanha, o Prêmio Gottfried Wilhelm Leibniz, por seu papel neste progresso.

Nos últimos anos, Dietz e sua equipe foram responsáveis ​​por etapas importantes na direção de aplicações:dispositivos experimentais incluindo um canal de membrana sintética feito de DNA; descobertas que reduzem o tempo necessário para processos de automontagem de uma semana para algumas horas e permitem rendimentos próximos de 100%; prova de que estruturas extremamente complexas podem ser montadas, conforme projetado, com precisão subnanométrica.

Mesmo assim, todos esses avanços empregaram o "emparelhamento de bases" para determinar como as fitas individuais e conjuntos de DNA se uniriam a outros em solução. O que há de novo é a "cola".

"Depois de construir uma unidade com pares de bases, "Dietz explica, "é difícil de quebrar. Portanto, as estruturas dinâmicas feitas usando essa abordagem tendem a ser estruturalmente simples." Para permitir uma gama mais ampla de nanomáquinas de DNA com peças móveis e recursos potencialmente úteis, a equipe adaptou mais duas técnicas do kit de ferramentas biomolecular da natureza:a forma como as proteínas usam complementaridade de forma para simplificar o acoplamento com outras moléculas, e sua tendência de formar laços relativamente fracos que podem ser facilmente quebrados quando não forem mais necessários.

Flexibilidade bioinspirada

Para os experimentos relatados em Ciência , Dietz e seus co-autores - candidatos ao doutorado Thomas Gerling e Klaus Wagenbauer, e a estudante de bacharelado Andrea Neuner da Escola de Engenharia de Munique da TUM - inspirou-se em um mecanismo que permite que as moléculas de ácido nucléico se liguem por meio de interações mais fracas do que o emparelhamento de bases. Na natureza, ligações fracas podem ser formadas quando a enzima RNase P baseada em RNA "reconhece" o chamado RNA de transferência; as moléculas são guiadas para uma faixa próxima o suficiente, como a ancoragem de naves espaciais, por suas formas complementares.

A nova tecnologia do laboratório de Dietz imita essa abordagem. Para criar uma nanomáquina de DNA dinâmica, os pesquisadores começam programando a automontagem de blocos de construção 3D que são moldados para se encaixarem. Um fraco, O mecanismo de ligação de curto alcance denominado empilhamento de nucleobases pode então ser ativado para encaixar essas unidades no lugar. Três métodos diferentes estão disponíveis para controlar a forma e a ação dos dispositivos feitos dessa maneira.

"O que isso nos deu é uma hierarquia em camadas de forças de interação, "Dietz diz, "e a capacidade de posicionar - precisamente onde precisamos deles - domínios estáveis ​​que podem reconhecer e interagir com os parceiros de ligação." A equipe produziu uma série de dispositivos de DNA - variando de filamentos em escala micrométrica que podem prefigurar "flagelos" tecnológicos a máquinas em nanoescala com partes móveis - para demonstrar as possibilidades e começar a testar os limites.

Por exemplo, micrografias eletrônicas de transmissão de uma forma tridimensional, robôs humanóides em nanoescala confirmam que as peças se encaixam exatamente como projetadas. Além disso, eles mostram como um método de controle simples - alterando a concentração de íons positivos na solução - pode alternar ativamente entre diferentes configurações:montado ou desmontado, com "braços" bem abertos ou apoiados ao lado do robô.

Outro método para alternar um nanodispositivo de DNA entre seus diferentes estados estruturais - simplesmente aumentando e diminuindo a temperatura - provou ser especialmente robusto. Para as gerações anteriores de dispositivos, isso exigia a separação e a junção de pares de bases de DNA, e, portanto, os sistemas foram "desgastados" por diluição e reações colaterais após apenas alguns ciclos de troca. Um atuador semelhante a uma tesoura descrito neste artigo passou por mais de mil ciclos de mudança de temperatura ao longo de um período de quatro dias, sem sinais de degradação.

"O ciclo de temperatura é uma forma de colocar energia no sistema, "Dietz acrescenta, "então, se a transição conformacional reversível pudesse ser acoplada a algum processo em evolução contínua, basicamente agora temos uma maneira não apenas de construir nanomáquinas, mas também para alimentá-los. "

"Num piscar de olhos" - como uma brincadeira de criança

Há ainda outra dimensão para a flexibilidade obtida pela adição de componentes complementares de forma e ligação fraca ao kit de ferramentas de nanotecnologia de DNA. Programar a automontagem apenas pelo emparelhamento de bases é como escrever código de computador em linguagem de máquina. A esperança é que esta nova abordagem torne mais fácil dobrar o origami de DNA para fins práticos, da mesma forma, o advento de linguagens de programação de computador de nível superior estimulou avanços na engenharia de software.

Dietz compara a construção com brinquedos infantis como LEGO:"Você projeta os componentes para serem complementares, e é isso. Chega de mexer com sequências de pares de bases para conectar componentes. "