Uma impressionante variedade de formas arquitetônicas pode ser produzida a partir dos blocos de construção interligados conhecidos como LEGOS. Tudo o que é necessário é a imaginação de uma criança para construir uma variedade virtualmente infinita de formas complexas.

Em um novo estudo publicado na revista Cartas de revisão física , os pesquisadores descrevem uma técnica para usar elementos semelhantes ao LEGO na escala de alguns bilionésimos de metro. Avançar, eles são capazes de persuadir esses elementos de design a se automontar, com cada peça de LEGO identificando seu par adequado e ligando-se em uma sequência precisa para completar a nanoestrutura desejada.

Enquanto a técnica descrita no novo estudo é simulada no computador, a estratégia é aplicável a métodos de automontagem comuns ao campo da nanotecnologia de DNA. Aqui, o equivalente a cada peça de LEGO consiste em nanoestruturas feitas de DNA, o famoso repositório molecular de nosso código genético. Os quatro nucleotídeos que constituem o DNA - comumente rotulados como A, C, T e G - colam-se uns aos outros de acordo com uma regra confiável:um nucleotídeos sempre emparelha com Ts e nucleotídeos C com Gs.

O uso de propriedades de emparelhamento de bases permite que pesquisadores como a Petr Sulc, autor correspondente do novo estudo, para projetar nanoestruturas de DNA que podem tomar forma em um tubo de ensaio, como se estivesse no piloto automático.

"O número possível de maneiras de projetar interações entre os blocos de construção é enorme, algo que é chamado de 'explosão combinatória' ", diz Sulc." É impossível verificar individualmente cada projeto de bloco de construção possível e ver se ele pode se auto-montar na estrutura desejada. Em nosso trabalho, nós fornecemos uma nova estrutura geral que pode pesquisar com eficiência o espaço de soluções possíveis e encontrar aquela que se auto-monta na forma desejada e evita outras montagens indesejadas. "

Sulc é pesquisador do Centro de Biodesign para Design Molecular e Biomimética e da Escola de Ciências Moleculares (SMS) da ASU. Ele é acompanhado por seu colega Lukáš Kroc, juntamente com os colaboradores internacionais Flavio Romano e John Russo da Itália.

A nova técnica marca um passo importante no campo de rápido desenvolvimento da nanotecnologia de DNA, onde formas auto-montadas estão encontrando seu caminho em tudo, desde pinças em nanoescala a robôs de DNA caçadores de câncer.

Apesar dos avanços impressionantes, os métodos de construção baseados na automontagem molecular tiveram que lidar com ligações não intencionais de material de construção. Os desafios aumentam com a complexidade do design pretendido. Em muitos casos, pesquisadores estão perplexos quanto ao motivo de certas estruturas se auto-montarem a partir de um determinado conjunto de blocos de construção elementares, pois os fundamentos teóricos desses processos ainda são pouco compreendidos.

Para enfrentar o problema, Sulc e seus colegas inventaram um sistema inteligente de codificação de cores que consegue restringir os pares de bases apenas aos que aparecem no projeto de projeto para a estrutura final, com pares de bases alternativos proibidos.

O processo funciona por meio de um algoritmo de otimização personalizado, onde o código de cor correto para a automontagem da forma pretendida produz a estrutura alvo em um mínimo de energia, enquanto exclui estruturas concorrentes.

Próximo, eles colocam o sistema para funcionar, usando computadores para projetar duas formas de cristal de grande importância para o campo da fotônica:pirocloro e diamante cúbico. Os autores observam que este método inovador é aplicável a qualquer estrutura cristalina.

Para aplicar seu referencial teórico, Sulc iniciou uma nova colaboração com os professores Hao Yan e Nick Stephanopoulos, seus colegas da Biodesign e SMS. Juntos, eles pretendem realizar experimentalmente algumas das estruturas que foram capazes de projetar em simulações.

"Embora a aplicação óbvia de nossa estrutura seja na nanotecnologia de DNA, nossa abordagem é geral, e também pode ser usado, por exemplo, para projetar estruturas automontadas a partir de proteínas, "Sulc diz.