Quando se trata de combinar simplicidade com incrível potencial criativo, O DNA pode conter o prêmio. Construído a partir de um alfabeto de apenas quatro ácidos nucléicos, O DNA fornece a planta baixa a partir da qual toda a vida terrena é construída.

Mas a notável versatilidade do DNA não termina aí. Os pesquisadores conseguiram persuadir segmentos de DNA a realizar uma série de truques úteis. As sequências de DNA podem formar circuitos lógicos para aplicações nanoeletrônicas. Eles têm sido usados ​​para realizar cálculos matemáticos sofisticados, como encontrar o caminho ideal entre várias cidades. E o DNA é a base para uma nova geração de pequenos robôs e nanomáquinas. Medindo milhares de vezes menor que uma bactéria, tais dispositivos podem realizar uma infinidade de tarefas.

Em uma nova pesquisa, Hao Yan da Arizona State University e seus colegas descrevem um DNA walker inovador, capaz de percorrer rapidamente uma trilha preparada. Em vez de lento, passos experimentais em uma superfície, a acrobata do DNA dá cambalhotas de cabeça para baixo, cobrindo o terreno de 10 a 100 vezes mais rápido do que os dispositivos anteriores.

"É empolgante ver que os caminhantes de DNA podem aumentar sua velocidade significativamente, otimizando o comprimento e as sequências dos filamentos de DNA, o esforço colaborativo realmente fez isso acontecer, "Yan disse.

Yan é o distinto Professor Milton D. Glick de Química e Bioquímica da ASU e diretor do Centro de Biodesign para Design Molecular e Biomimética.

O estudo foi liderado por Nils G. Walter, Francis S. Collins, Professor Colegiado de Química, Biofísica e Química Biológica, diretor fundador do Centro de Análise de Molécula Única em Tempo Real (SMART) e co-diretor fundador do Centro de Biomedicina de RNA da Universidade de Michigan, e sua equipe, junto com colaboradores do Wyss Institute, o Dana Farber Cancer Institute e o Departamento de Química Biológica de Harvard (todos em Boston, Massachusetts).

"O truque era fazer o andador ficar de pernas para o ar, que é muito mais rápido do que o salto usado antes, assim como você veria em um filme de ação de kung fu onde o herói acelera dando piruetas para pegar o vilão, "diz Walter.

As melhorias na velocidade e locomoção apresentadas pelo novo andador devem encorajar mais inovações no campo da nanotecnologia de DNA.

As descobertas do grupo aparecem na edição online avançada da revista Nature Nanotechnology .

Construindo com DNA

Nanoarquitetos constroem suas estruturas de DNA, motores e circuitos usando o mesmo princípio básico da Natureza. Os quatro nucleotídeos, rotulado como A, T, C e G, ligam-se uns aos outros de acordo com uma regra simples e previsível:Cs sempre emparelha com Gs e As sempre emparelha com Ts. Assim, vários comprimentos de DNA podem ser programados para se automontar, encaixando-se para formar uma variedade ilimitada de nanoestruturas bidimensionais e tridimensionais. Com um refinamento inteligente, os pesquisadores foram capazes de equipar suas nanocriações estáticas com propriedades dinâmicas.

Uma das aplicações mais inovadoras da nanotecnologia de DNA tem sido o design de dispositivos robóticos de caminhada compostos de fitas de DNA que se movem sucessivamente de forma gradual ao longo de um caminho. O método que permite que segmentos de DNA percorram uma área definida é conhecido como deslocamento de fita.

O processo funciona assim:uma perna do dispositivo robótico é a fita 1 de DNA, que está ligada à fita complementar 2, por meio do emparelhamento normal de bases. A vertente 1 contém um adicional, sequência desemparelhada pendurada em seu final, que é conhecido como toehold.

Próximo, A cadeia de DNA 3 é encontrada. Esta fita é complementar à fita de DNA 1 e inclui uma sequência de suporte complementar à fita de DNA 1. Uma vez que o suporte da fita 3 se liga com o suporte da fita 1, ele começa a deslocar sequencialmente cada nucleotídeo da fita 2, um por um, até que a fita 2 tenha sido completamente substituída pela fita 3. A fita 2 então se dissocia da fita 1 e o processo pode começar novamente. (Veja a figura 1).

Deslocamento do fio mediado por pegadas, que forma a base de outros nanodispositivos de DNA, permite que as estruturas de DNA se movam de um ponto de apoio complementar na superfície de caminhada para o outro. As each DNA strand is displaced by a new strand, the nano-creature takes a step forward.

Race walking

Successful DNA walkers of various kinds have been designed and have demonstrated the ability to ferry nano-sized cargo from place to place. Até agora, Contudo, the strand displacement reactions they rely on have been slow, generally requiring several minutes to move a short distance. This is much slower than naturally occurring processes in living systems like protein motors, which can perform feats of dissociation similar to strand displacement in much faster time frames.

While theoretical calculations suggest that individual operations by such nanodevices should occur in seconds or less, in practice, such operations typically require minutes or even hours. (A recently designed cargo-sorting walker for example required 5 minutes for each step, with foothold spacings just 6 nm apart. This speed was on a par with similar strand-displacement walkers.)

In the new study, researchers sought to optimize this process to see how quickly a walker designed with speed in mind could move. The limiting factor in terms of speed did not appear to be the strand displacement process itself, but rather the lack of fine-tuned optimization in the overall walker design.

The team redesigned their walker for maximum speed and used a fluorescent imaging technique known as smFRET (for single-molecule fluorescence resonance imaging transfer) to chart the DNA walker's progress and evaluate its subtle kinetic properties.

By altering the lengths of toehold sequences and branching migration points, the stepping rate could be keenly optimized, making for a briskly moving nanorobot that left competitors in the dust, boasting stepping rates a full order of magnitude faster than previous DNA walkers.

Freewheeling nanorobot

Part of the robot's advantage over its competitors is due to its unusual technique of locomotion. Rather than simply stepping from one surface foothold to the next, the acrobatic walker moves head over heels in a cartwheel fashion, while remaining securely bound to at least one foothold at all times.

The stability of the double-stranded sequences anchoring the base of the robot to the track surface, while the free toehold searches out the next complementary sequence, may be one factor improving the walker's speed. The cartwheeling design also allows strand displacement to sequentially proceed in a direction away from the foothold surface, which improves efficiency.

Once the walker was optimized, super-resolved single particle tracking was used to observe the device's movement over a 2-D surface studded with footholds for the walker, covering a range of up to 2 microns. The best walker optimized in the study was able to search ~43 foothold sites per minute with a stepping distance of ~ 10nm. Strand displacement occurred at rates of about a tenth of a second. Analysis suggests the device can take hundreds of steps without dissociating.

Future steps

While still lagging behind naturally occurring protein reactions, the optimized cartwheeling walker offers a marked advancement in performance, representing an order of magnitude improvement over earlier versions, while not consuming any fuel. Borrowing further insights from natural systems may allow dynamical DNA devices like the walker to accelerate even more in the future by converting chemical energy into directed speed.

The study underlines the opportunities for optimization of a range of DNA nanostructures, considerably enhancing their speed and versatility.