DNA, presente em quase todas as células, está cada vez mais sendo usado como um material de construção para construir minúsculos, mas estruturas sofisticadas, como "caminhantes de DNA" autônomos que podem se mover ao longo da superfície de uma micropartícula, etiquetas fluorescentes para aplicações de diagnóstico, 'Caixas de DNA' que servem como veículos inteligentes de entrega de drogas programadas para abrir em locais de doenças para liberar seu conteúdo terapêutico, ou fábricas programáveis ​​para nanopartículas de tamanhos e formatos definidos para novas aplicações ópticas e eletrônicas.

Para acomodar essas funções, pesquisadores do Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia de Harvard e em todo o mundo desenvolveram maneiras que permitem que os filamentos de DNA se auto-agrupem em estruturas 3-D cada vez mais complexas, como origamis de DNA em estrutura. Origamis de DNA, Contudo, são limitados em seus tamanhos porque contam com a disponibilidade de cordões de andaime que podem ser difíceis de fabricar e manipular. Em 2012, Peng Yin e sua equipe do Wyss Institute apresentaram um método alternativo em Natureza (2-D) e Ciência (3-D) que é baseado em 'tijolos' de DNA, que não usam um andaime, mas sim são capazes de se conectar como tijolos de Lego interligados e, assim, se automontar em estruturas do tamanho de origami com formas prescritas.

Conforme relatado em Natureza , a equipe superou sua tecnologia em duas ordens de magnitude, permitindo que os tijolos de DNA da próxima geração se auto-montem em nanoestruturas tridimensionais que são 100 vezes mais complexas do que aquelas criadas com os métodos existentes. Origami de DNA e tijolos de DNA de primeira geração se auto-montam a partir de centenas de componentes exclusivos para produzir nanoestruturas na escala de MegaDalton, enquanto a nova abordagem de tijolos de DNA permite 10, 000 componentes para automontar em estruturas do tamanho de GigaDalton (1 GigaDalton é igual a 1000 MegaDaltons ou 1 bilhão de Daltons). O estudo fornece ferramentas computacionais fáceis de usar para projetar nanoestruturas de DNA com cavidades complexas (e possivelmente superfícies) que têm o potencial de servir como componentes de construção em inúmeras aplicações nanotecnológicas em medicina e engenharia.

"O princípio e as capacidades promissoras de nossos tijolos de DNA de primeira geração nos levaram a perguntar se podemos aprimorar o sistema para obter nanoestruturas significativamente mais complexas com rendimentos muito maiores em reações de montagem em um único recipiente. Aqui conseguimos fazer tudo isso. Trabalhamos uma plataforma prática de fácil acesso que permite aos pesquisadores com interesses e aplicações muito diferentes criar uma tela molecular com 10, 000 tijolos e usá-los para construir nanoestruturas com potencial e complexidades sem precedentes, "disse o autor correspondente Yin, Ph.D., que é membro do corpo docente do Wyss Institute Core, co-líder da Iniciativa de Robótica Molecular do Instituto, e professor de Biologia de Sistemas na Harvard Medical School.

A tecnologia do DNA brick é baseada na natureza estável e altamente programável do DNA. Um único bloco de DNA é uma fita curta de DNA sintético composta por uma sequência predefinida das quatro bases de nucleotídeos universais:adenina (A), citosina (C), guanina (G), e timina (T). Os pesquisadores do Wyss Institute criam grandes nanoestruturas 3-D misturando vários tijolos, cada um carregando sua própria sequência única de nucleotídeos, projetada para se encaixar e se ligar a um domínio complementar de bases de nucleotídeos em outro bloco, de modo que possam se automontar. Na nova versão da tecnologia, variando o comprimento dos domínios de ligação individuais dentro dos tijolos, a equipe acabou com uma diversidade substancialmente maior entre os tijolos possíveis que, além do que, além do mais, vincular-se muito mais forte um ao outro. O estudo também desenvolveu um software de computador amigável para que os designers possam simplesmente inserir uma forma 3-D necessária e receber automaticamente uma lista de sequências de blocos de DNA que podem ser sintetizadas e usadas para formar a estrutura desejada.

"Demonstramos os recursos de nossa tecnologia construindo cubóides massivos contendo até 30, 000 tijolos e mostrou algumas formas exemplares que podem ser construídas a partir de subconjuntos desses tijolos. É notável que os tijolos foram capazes de distinguir entre dezenas de milhares de parceiros em potencial para encontrar seus vizinhos corretos, e foi emocionante ver que a técnica de tijolos de DNA pode ser usada para formar cavidades bastante complexas, como um ursinho de pelúcia, a palavra 'AMOR' ou uma tira de Möbius, entre muitos outros, "disse a primeira autora Luvena Ong, Ph.D., um ex-aluno de graduação no laboratório de Yin e agora um investigador de pesquisa na Bristol-Myers Squibb.

A equipe de Yin colaborou com pesquisadores do Centro Nacional de Pesquisa Científica (CNRS) e do Instituto Nacional Francês de Saúde e Pesquisa Médica (INSERM) em Montpellier, França e Instituto Max Planck de Bioquímica em Munique, Alemanha deve implantar uma coleção de métodos de microscopia de última geração para visualizar as cavidades projetadas em cuboides 3-D. "Estruturas de cavidades compostas de tijolos de DNA são de muito interesse, pois oferecem a possibilidade de projetar nano-recipientes nos quais biomoléculas como proteínas podem ser colocadas em arranjos muito definidos para estudar suas interações e alavancar suas atividades, "disse o co-autor correspondente Yonggang Ke, Ph.D., que desenvolveu a primeira plataforma de tijolos de DNA com Yin como um pós-doutorado no Wyss Institute, e agora é professor assistente do Instituto de Tecnologia da Geórgia e da Emory University. Ke, trabalhando junto com seu aluno de graduação Pengfei Wang, foi fundamental para o avanço da tecnologia para sua nova versão. "Ao adicionar frações funcionais a blocos de DNA que podem realizar processos de montagem e enzimáticos, eles podem ser convertidos em ferramentas poderosas para processos comerciais e de nanofabricação biomédica em uma nova escala, "disse Ke. Os pesquisadores acreditam que, no futuro, the method could also be used to generate large nanostructures with sculpted and application-specific outer surfaces.

"The way the multifaceted DNA bricks technology is evolving shows how the Wyss Institute's Molecular Robotics Initiative can reach deep into the field of DNA nanotechnology to enable new approaches that could solve many real world problems, " said Wyss Institute Founding Director Donald Ingber, M.D., Ph.D., who is also the Judah Folkman Professor of Vascular Biology at HMS and the Vascular Biology Program at Boston Children's Hospital, as well as Professor of Bioengineering at SEAS.