Uma coleção de 120 imagens 3-D das ligações de Bennett. As imagens foram criadas usando tomografia eletrônica de partículas individuais (IPET), uma técnica desenvolvida no Berkeley Lab. Crédito:Laboratório Nacional Lawrence Berkeley
Na última década, pesquisadores têm trabalhado para criar materiais e dispositivos em nanoescala usando DNA como materiais de construção por meio de um processo chamado "origami de DNA".
Uma única longa fita "andaime" de DNA pode ser dobrada em formas específicas por centenas de fitas mais curtas, por exemplo. A ordem das bases em cada fita curta atua como um projeto que dita o DNA final do andaime, Forma 3D.
Os cientistas esperam usar este método para desenvolver dispositivos moleculares que funcionam como máquinas em nanoescala ou dispositivos de entrega de drogas, marcadores para imagens médicas ou pesquisa biológica, e componentes para dispositivos eletrônicos.
Estruturas de DNA longas - compostas por mais de 10, 000 unidades estruturais de DNA chamadas "nucleotídeos" - permanecem difíceis de fabricar e manipular, que até agora limitou o tamanho das estruturas de origami. Também tem se mostrado difícil estudar a estrutura 3-D dessas nanopartículas em seu estado natural, estado flexível.
Agora, pela primeira vez, uma equipe de pesquisadores do Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) e da Ohio State University gerou imagens 3-D de 129 moléculas individuais de partículas de origami de DNA flexível. Seu trabalho fornece a primeira verificação experimental do modelo teórico de origami de DNA.
Os métodos usados aqui podem ser facilmente aplicados a outros tipos de estruturas fabricadas de origami de DNA, e ajudar a informar o projeto e otimização de estruturas futuras. Seu trabalho foi publicado recentemente em Nature Communications .
Um esquema de uma ligação de Bennett e um modelo de simulação mostrando a ligação de Bennett feita de DNA. Crédito:Laboratório Nacional Lawrence Berkeley
A equipe de pesquisa se concentrou em estruturas de DNA modeladas a partir de um mecanismo básico chamado de "ligação de Bennett, "que é uma estrutura 3-D que consiste em uma cadeia de quatro hastes conectadas por dobradiças. Isso cria uma forma quadrilateral inclinada em que as dobradiças não são paralelas ou alinhadas. Usando as ligações de Bennett como blocos de construção, é possível criar expansíveis, estruturas úteis, como suportes para tendas que podem ser montados rapidamente.
As estruturas de origami de DNA são muito desafiadoras para estudar porque são muito flexíveis e delicadas, e cada molécula tem uma forma 3D única. Essa variabilidade torna os métodos de imagem convencionais, como microscopia crioeletrônica de partícula única (crio-EM), menos adequado. O Cryo-EM envolve uma extensa "média" por computador de milhares a centenas de milhares de moléculas semelhantes. Como resultado, informações sobre as porções flexíveis das estruturas de origami de DNA podem ser facilmente calculadas, produzindo uma imagem incompleta da estrutura.
Os pesquisadores confiaram em uma técnica desenvolvida na Fundição Molecular do Berkeley Lab, um centro de pesquisa para ciência em nanoescala, para visualizar as moléculas individuais que compõem essas estruturas. O método, chamada de tomografia eletrônica de partículas individuais (IPET), tira fotos de uma molécula alvo de vários ângulos de visão, e, em seguida, combina essas imagens para criar um 3-D, renderização de molécula inteira, semelhante ao funcionamento de uma tomografia computadorizada (TC) médica.
Os pesquisadores capturaram 129 imagens 3-D, com uma resolução de 6 a 14 nanômetros, que lhes permitiu extrair informações sobre a dinâmica e a flexibilidade das estruturas de origami de DNA.
"As reconstruções confirmaram que as ligações de Bennett têm um alto grau de diversidade estrutural, "disse o Gang" Gary "Ren, cientista da equipe da Molecular Foundry's Imaging Facility e co-líder do estudo.
Uma análise geométrica dessas reconstruções mostra que as conformações dos mecanismos de ligação de Bennett estão de acordo com os modelos teóricos. Quando as ligações estão perto de seu estado "aberto", a "dobradiça" está quase totalmente estendida. Quando as estruturas estão mais próximas de sua conformação "fechada", as estruturas assumem formas diferentes e são extremamente flexíveis e distorcidas.
"Com base nesses resultados e nas visualizações do modelo das ligações de Bennett, podemos propor uma nova estratégia para melhorar nosso controle de ligações de Bennett em grandes estruturas de DNA, "disse Ren." A abordagem inclui redesenhar as sequências de DNA perto das articulações para enrijecer a estrutura e evitar que se distorça perto desta articulação.
