Nas últimas décadas, os cientistas foram inspirados pelo projeto da vida, DNA, como a forma das coisas que virão para a nanotecnologia.

Este campo florescente é chamado de origami de DNA. O cientista pegou emprestado seu apelido dos artistas de papel que invocam pássaros, flores e planos de dobrar com imaginação uma única folha de papel.

De forma similar, Cientistas de origami de DNA estão sonhando com uma variedade de formas - em uma escala mil vezes menor que um fio de cabelo humano - que eles esperam que um dia revolucionem a computação, eletrônica e medicina.

Agora, uma equipe de cientistas do estado do Arizona e de Harvard inventou um grande avanço na nanotecnologia de DNA. Chamado de "origami de fita simples, "sua nova estratégia usa um longo, filamentos finos de DNA parecidos com macarrão, ou seu primo químico RNA, que pode se dobrar - sem nem mesmo um único nó - no maior, estruturas mais complexas até hoje.

E, os filamentos que formam essas estruturas podem ser feitos dentro de células vivas ou usando enzimas em um tubo de ensaio, permitindo aos cientistas o potencial de plug-and-play com novos designs e funções para nanomedicina —— como minúsculos, nanobots brincando de médico e entregando drogas dentro das células no local da lesão.

"Acho que é um avanço empolgante, e uma grande oportunidade para a biologia sintética também, "disse Hao Yan, um co-inventor da tecnologia, diretor do Centro de Design Molecular e Biomimética do ASU Biodesign Institute, e o Professor Milton Glick na Escola de Ciências Moleculares.

"Sempre nos inspiramos nos designs da natureza para fazer moléculas transportadoras de informações que podem se auto-dobrar em formas em nanoescala que queremos fazer, "

Como prova de conceito, eles empurraram o envelope para fazer carinhas sorridentes como Emoji, corações, formas triangulares - 18 formas no total - que expandem significativamente o espaço do estúdio de design e a escalabilidade do material para os chamados, nanotecnologia "ascendente".

Tamanho importa

A data, Os cientistas da nanotecnologia de DNA tiveram que confiar em dois métodos principais para fazer estruturas endereçáveis ​​espacialmente com dimensões finitas.

O primeiro foram os tijolos moleculares, pequena, pequenos pedaços de DNA que podem se dobrar para formar uma única estrutura. O segundo método foi o DNA scaffolded, onde uma única fita é moldada em uma estrutura usando fitas auxiliares de DNA, que fixam a estrutura no lugar.

"Esses dois métodos não são muito escaláveis ​​em termos de síntese, "disse Fei Zhang, um co-autor sênior do artigo. "Quando você tem tantos pedaços curtos de DNA, você não pode replicá-lo usando sistemas biológicos. Uma maneira de contornar isso é projetar um fio longo que pode se dobrar em qualquer projeto ou arquitetura. "

Além disso, cada método foi limitado porque conforme o tamanho da estrutura aumenta, a capacidade de dobrar corretamente se torna mais desafiadora.

Agora, existe uma nova terceira via.

Para Yan e sua equipe fazerem sua descoberta, eles tiveram que voltar para a prancheta de desenho, o que significava olhar para a natureza novamente em busca de inspiração. Eles encontraram o que procuravam com um primo químico do DNA, na forma de complexo, Estruturas de RNA.

As complexas estruturas de RNA descobertas até agora contêm moléculas de RNA de fita simples que se dobram em estruturas sem nenhum nó topológico. Esse truque poderia funcionar novamente para origami de DNA de fita simples ou RNA?

Eles foram capazes de decifrar o código de como o RNA cria estruturas para desenvolver uma arquitetura de origami de fita simples totalmente programável.

"A principal inovação do nosso estudo é usar DNA e RNA para construir uma estrutura estruturalmente complexa, mas sem nós, que pode ser dobrada suavemente a partir de uma única fita, "Disse Yan." Isso nos deu uma estratégia de design que nos permitiu dobrar uma longa vertente em uma arquitetura complexa. "

"Com a ajuda de um cientista da computação da equipe, também poderíamos codificar o processo de design como um algoritmo formal matematicamente rigoroso e automatizar o design desenvolvendo uma ferramenta de software amigável, "disse Yan.

O algoritmo e o software foram validados pelo projeto automatizado e construção experimental de seis estruturas distintas de ssOrigami de DNA (quatro losangos e duas formas de coração).

Forma e função

Uma coisa é criar padrões engenhosos e rostos sorridentes com DNA, mas os críticos do origami de DNA se perguntam quando surgirão as aplicações práticas.

Agora, isso é possível. "Acho que estamos muito mais próximos das aplicações práticas reais da tecnologia, "disse Yan." Estamos ativamente olhando para as primeiras aplicações da nanomedicina com nossa tecnologia ssOrigami. "

Eles também foram capazes de demonstrar que uma estrutura ssOrigami dobrada pode ser derretida e usada como um modelo para amplificação por enzimas de cópia de DNA em um tubo de ensaio e que a fita ssOrigami pode ser replicada e amplificada por meio da produção clonal em células vivas.

"Nanoestruturas de DNA de fita simples formadas por auto-dobramento oferecem maior potencial de serem amplificáveis, replicável, e clonável, e, portanto, a oportunidade de custo eficiente, produção em grande escala usando replicação enzimática e biológica, bem como a possibilidade de usar a evolução in vitro para produzir fenótipos e funcionalidades sofisticadas, "disse Yan.

Essas mesmas regras de design podem ser usadas para o primo químico do DNA, RNA.

Uma característica chave do design do origami de fita simples (ssOrigami) é que a fita pode ser feita e copiada no laboratório e em células vivas e, posteriormente, dobrada em estruturas de design aquecendo e resfriando o DNA.

Para fazer isso dentro do laboratório, eles usaram a fotocopiadora de sequências de clonagem, chamado PCR, para replicar e produzir ssDNA.

Dentro das células vivas, eles primeiro o colocaram dentro de uma mula de clonagem molecular, chamado de plasmídeo, depois que foi colocado em uma bactéria comum de laboratório chamada células de E. coli. Quando eles trataram as bactérias com enzimas para liberar o ssDNA, eles poderiam isolá-lo, e, em seguida, dobre-o em sua estrutura de destino.

"Como o DNA de plasmídeo pode ser facilmente replicado em E. coli, a produção pode ser aumentada com o crescimento de um grande volume de células de E. coli com baixo custo, "disse Yan. Isso contorna a restrição de ter que sintetizar todo o DNA no laboratório a partir do zero, que é muito mais caro.

Também os move em uma direção agora, onde eles podem potencialmente fazer as estruturas dentro das células.

"Aqui, mostramos as bactérias para fazer a fita, mas ainda precisa fazer o recozimento térmico fora das bactérias para formar a estrutura, "disse Yan." A situação ideal seria projetar uma sequência de RNA que pudesse ser transcrita dentro da bactéria, e dobre dentro da bactéria para que possamos usar a bactéria como uma nanofábrica para produzir o material. "

Aqui, eles demonstraram uma estrutura para projetar e sintetizar uma única fita de DNA ou RNA para se dobrar eficientemente em uma estrutura ssOrigami compacta sem nós que se aproxima de qualquer forma de alvo arbitrária prescrita pelo usuário.

"Sua fita simples possibilitou a demonstração de replicação fácil da fita in vitro e em células vivas, e sua programabilidade nos permitiu codificar o processo de design e desenvolver uma ferramenta de design automatizada simples baseada na web. "

Uma nova escola de design

No software (consulte http://dna.kwonan.com/), feito através de uma colaboração com o Grupo de Pesquisa BioNano, Autodesk Research, primeiro, o usuário seleciona uma forma de destino, que é convertido em representação pixelada. O usuário pode carregar uma imagem 2D ou desenhar uma forma usando um editor de design de pixel 2D.

O usuário pode, opcionalmente, adicionar grampos de cabelo ou laços de DNA, que podem servir como marcadores de superfície ou alças para anexar entidades externas. Os pixels são convertidos em domínios helicoidais de DNA e domínios de bloqueio para fazer o dobramento. O software irá gerar estruturas e sequências ssOrigami, e o usuário pode visualizar a estrutura molecular por meio de um visualizador molecular incorporado. Finalmente, a sequência de DNA é atribuída à fita do ciclo, e a esperada estrutura dobrada fabricada em laboratório e visualmente confirmada ao observá-la sob um poderoso microscópio que são os olhos da nanotecnologia, força atômica microscópica, ou AFM.

"Nós realmente aumentamos a complexidade e, ao mesmo tempo, reduzimos os custos, "disse Yan." Este estudo expande significativamente o espaço de design e escalabilidade para nanotecnologia de baixo para cima, e abre a porta para aplicações de saúde. "