Os pares de bases encontrados no DNA são a chave para sua capacidade de armazenar informações que codificam proteínas, mas também fornecem à molécula propriedades estruturais úteis. Fazer com que duas fitas complementares de DNA se transformem em uma dupla hélice pode servir como base para mecanismos físicos intrincados que podem empurrar e puxar dispositivos em escala molecular.

Engenheiros da Universidade da Pensilvânia desenvolveram "músculos" em nanoescala que funcionam com base nesse princípio. Ao incorporar cuidadosamente fitas de DNA personalizado em diferentes camadas de filmes flexíveis, eles podem forçar esses filmes a dobrar, enrole-se e até vire-se introduzindo a sugestão de DNA certa. Eles também poderiam reverter essas mudanças por meio de diferentes pistas de DNA.

Um dia, a flexão desses músculos pode ser usada em dispositivos de diagnóstico, capaz de sinalizar mudanças na expressão gênica de dentro das células.

Os pesquisadores demonstraram este sistema em um estudo publicado em Nature Nanotechnology .

O estudo foi conduzido por John C. Crocker e Daeyeon Lee, professores de Engenharia Química e Biomolecular na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Penn, junto com Tae Soup Shim, que era então pós-doutorando associado em ambos os grupos de pesquisadores. David Chenoweth, professor assistente de química na Escola de Artes e Ciências da Penn, e So-Jung Park, professora do Departamento de Química e Nanociências da Ewha Womans University, Seul, também contribuíram para o estudo. Outros co-autores de Penn incluem Zaki G. Estephan, Zhaoxia Qian, Jacob H. Prosser e Su Yeon Lee, alunos de graduação e pós-doutorandos nos departamentos de Engenharia Química e Biomolecular, Ciência e Engenharia de Materiais e Química.

Os músculos em nanoescala no estudo são compostos de nanopartículas de ouro, que estão conectados uns aos outros por DNA de fita simples. Os pesquisadores construíram os filmes camada por camada, a introdução de diferentes conjuntos de nanopartículas ligadas ao DNA em diferentes profundidades. Cada conjunto de nanopartículas continha links com sequências diferentes.

"A forma como a atuação funciona, "Crocker disse, "é que adicionamos DNA de fita simples que é complementar a uma parte das pontes entre as partículas. Quando esse DNA se difunde, ele transforma apenas essas pontes em hélices de DNA de fita dupla. "

Como a sequência específica do DNA adicionado é adaptada para corresponder a diferentes conjuntos de pontes de nanopartículas, os pesquisadores podem ter como alvo camadas individuais do filme, formando pontes de fita dupla apenas nessas camadas.

Este mecanismo foi fundamental para fazer com que os filmes flexionassem, as pontes de fita simples e dupla têm comprimentos diferentes.

"Acontece que os DNAs de fita dupla são mais longos do que os DNAs de fita simples com o mesmo número de bases, "Crocker disse, "então, quando a fita adicionada se liga, a ponte fica um pouco mais longa e o material se expande. Se apenas uma camada do filme se expandir, o filme enrola. "

Os pesquisadores também criaram uma maneira de reverter as pontes ao seu original, estado de fita simples, desfazendo esta onda. Os fios que dão a dica do curling também têm uma "alça" que não se liga às pontes. Puxar esta alça separa a dupla hélice das formas de DNA adicionadas.

"Fazemos a vertente que adicionamos para expandir as pontes um pouco mais do que o necessário, "Crocker disse." Depois de formar uma dupla hélice com a ponte, há outras 7 bases de DNA de fita simples remanescente penduradas ao lado da ponte. Para reverter o processo, adicionamos um fio 'stripper' que é complementar ao fio 'expansor' e a 'alça' pendurada extra. Na verdade, ele se hibridiza com a alça pendente, e, em seguida, puxa o fio expansor da ponte, formando uma dupla hélice em solução que flutua, permitindo que a ponte volte a ser mais curta, forma de fita simples. "

Fazer os filmes enrolarem ou virar completamente é apenas uma prova de conceito por enquanto, mas esse comportamento de flexão semelhante ao de um músculo pode ter uma série de aplicações em nanoescala.

Ser capaz de responder a uma sugestão e ignorar totalmente a outra - impossível para sistemas que flexionam com base nas mudanças de temperatura ou acidez - é fundamental para sua capacidade de funcionar como dispositivos de diagnóstico.

"Uma aplicação 'distante' que pensamos é em situações intracelulares onde não podemos controlar as coisas exatamente com fios ou equipamentos sem fio, Crocker disse. "Poderíamos fazer um dispositivo que absorva ou reflita um determinado comprimento de onda de luz com base no espaçamento de suas camadas internas, e poderíamos então alterar esse espaçamento usando um sinal químico. Este sinal pode ser um RNA mensageiro, portanto, o dispositivo fornece uma leitura de expressão de gene de uma única célula. Esses dispositivos intracelulares podem ser lidos em um microscópio, ou dentro do corpo usando imagens infravermelhas. "