Automontagem isotérmica de nanoestruturas de DNA multicomponentes e evolutivas
Automontagem isotérmica de origamis de DNA definidos pelo usuário em um tampão NaCl sem magnésio. (a), Uma mistura de origami (andaime M13 mais um excesso de 40x dos grampos desejados) pode se automontar espontaneamente a temperatura constante na forma de equilíbrio alvo (por exemplo, um triângulo) em tampão TANa. (b), observação AFM da formação isotérmica de origami a 25°C em TANa ([NaCl] = 100 mM), para um conjunto de grampos codificando triângulos pontiagudos, em função do tempo de incubação. (c), Fração (tamanho da bolha) de origamis parcialmente dobrados (amarelo) e totalmente dobrados (vermelho) após 24 horas de automontagem isotérmica com um conjunto de grampos codificados para triângulos pontiagudos, para várias temperaturas de incubação (T) e concentrações de NaCl . Um símbolo de cruz indica uma fração de 0. Por uma questão de legibilidade, a fração restante, que corresponde a origamis não dobrados ou mal dobrados, não é plotada neste gráfico. Todas as imagens utilizadas para essas análises estão disponíveis em repositório público citável (doi:10.5281/zenodo.7998757) e podem ser acessadas diretamente no seguinte link:https://zenodo.org/record/7998757. d, Imagens representativas de AFM em close-up de origamis obtidos por montagem isotérmica em TANa ([NaCl] = 100 mM) a 25°C para grampos codificando triângulos pontiagudos (esquerda), retângulos altos (meio) e smileys (direita). Para todos os experimentos:[M13] = 1 nM; cada concentração básica é 40 nM; nenhuma purificação de grampos foi realizada antes da imagem AFM. Crédito:Nanotecnologia da Natureza (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41565-023-01468-2 Múltiplas cadeias complementares de DNA podem ser termicamente recozidas em entidades desejadas para projetar nanoestruturas de DNA. Em um novo estudo agora publicado na Nature Nanotechnology , Caroline Rossi-Gendron e uma equipe de pesquisadores em química, ciência de materiais e biologia na França e no Japão usaram um tampão livre de magnésio contendo cloreto de sódio, coquetéis complexos de cadeias de DNA e proteínas para se automontar isotermicamente em temperatura ambiente ou fisiológica em nanoestruturas definidas pelo usuário, incluindo nanorredes, origami de DNA e conjuntos de ladrilhos de fita simples.
Essa automontagem baseou-se na termodinâmica, passando por múltiplos caminhos de dobramento para criar nanoestruturas altamente configuráveis. O método permitiu a auto-selecção da forma mais estável num grande conjunto de cadeias de ADN competitivas. Curiosamente, o origami de DNA pode mudar isotermicamente de uma forma inicialmente estável para uma forma radicalmente diferente através de uma troca de cadeias básicas constitutivas. Isso expandiu a coleção de formas e funções obtidas por meio da automontagem isotérmica para criar a base para nanomáquinas adaptativas e facilitar a descoberta evolutiva de nanoestruturas.
Automontagem na natureza e no laboratório
A automontagem ocorre quando entidades que ocorrem naturalmente ou projetadas racionalmente podem incorporar as informações necessárias para interagir espontaneamente e se auto-organizar em superestruturas funcionais de interesse. Normalmente, os materiais sintéticos automontados resultam da organização de um único componente repetido para criar uma montagem supramolecular estável contendo micelas ou cristais coloidais com um conjunto prescrito de propriedades úteis. Tais construções têm reconfigurabilidade limitada, tornando altamente desafiador produzir as estruturas desejadas.
A nanotecnologia de DNA estrutural explora o princípio de emparelhamento de bases dependente de sequência entre fitas simples de DNA sintético para superar esse desafio e montar superestruturas diversas e elaboradas com formato, tamanho e especificidade funcional pretendidos em grande escala com uma gama de aplicações. As estruturas multicomponentes são normalmente derivadas de um processo de recozimento térmico, onde a mistura de DNA é inicialmente aquecida acima de sua temperatura de fusão e resfriada lentamente para evitar armadilhas cinéticas e garantir a hibridização de DNA específica da sequência.
Nanotecnologia de DNA estrutural
O recozimento térmico pode dificultar a possibilidade de formação espontânea de nanoestruturas sob condições fixas. Neste trabalho, Rossi-Gendron e colegas descreveram, portanto, que o principal método de nanotecnologia estrutural de DNA depende do mesmo princípio de automontagem genérica de DNA isotérmico para criar nanoestruturas de DNA elaboradas definidas pelo usuário, como origami de DNA e nanorredes de DNA. A equipe de pesquisa estudou a complexidade estrutural de designs de origami de DNA e nanorredes autorrepetitivas usando microscopia de força atômica para revelar a multiplicidade de caminhos de dobramento em formas de origami 2D automontadas. A automontagem isotérmica de estruturas 3D elaboradas em temperatura ambiente ou corporal leva a origamis 3D bem modelados e com baixo rendimento. a – d, imagens TEM com coloração negativa das estruturas obtidas por recozimento térmico (a) ou montagem isotérmica (b – d) e após remoção do excesso de grampos por eletroforese em gel. a, estruturas triangulares T1 (esquema inserido) obtidas por 41 h de recozimento térmico em um tampão de Mg otimizado (5 mM Tris-HCl, pH 8,0, 1 mM EDTA, 18 mM MgCl2 ). b – d, Estruturas obtidas por automontagem isotérmica (sem pré-tratamento térmico) em tampão TANa:estruturas triangulares T1 (esquema inserido) indicadas por setas amarelas e obtidas com [NaCl] = 100 mM a 25°C por 48 h (b ); Estruturas triangulares T1 obtidas com [NaCl] = 200 mM a 25°C (esquerda) e com [NaCl] = 100 mM a 37°C (direita) por 72 h (c); Tb Estruturas semelhantes a "Toblerone" (esquerda, esquema) obtidas com [NaCl] = 100 mM a 25°C por 48 h (meio) e com [NaCl] = 200 mM a 25°C por 48 h (d). Barras de escala, 100 nm. Crédito:Nanotecnologia da Natureza (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41565-023-01468-2 Origami de DNA via automontagem em cloreto de sódio
A equipe concluiu uma série de experimentos em um ambiente de automontagem isotérmico regulado termodinamicamente para completar a transformação da forma. Eles conseguiram isso montando uma mistura de origami de DNA sem pré-tratamento térmico e incubaram as construções por várias horas em um tampão convencional. Conforme observado anteriormente, independente do tempo de incubação, os resultados não mostraram a formação de objetos com formato adequado.
A equipe optou por um tampão alternativo suplementado com sais monovalentes para promover a troca e reconfiguração de grampos para observar a notável formação de triângulos pontiagudos devidamente dobrados à temperatura ambiente em poucas horas. Estes resultados foram consistentes em concentrações intermediárias de sal. Os pesquisadores mostraram como a automontagem isotérmica em buffer poderia ser acionada eletrostaticamente para gerar uma variedade de nanoestruturas personalizadas sob uma ampla janela de temperatura.
Eles exploraram o conceito de automontagem isotérmica de origami 3D para destacar a possibilidade de automontagem espontânea em temperatura ambiente ou corporal sem pré-tratamento térmico para criar uma variedade de morfologias para exemplificar a versatilidade da automontagem. No entanto, o rendimento muito baixo das construções destacou a sua limitação atual que pode ser superada através da otimização do projeto da nanoestrutura.
Multiplicidade de caminhos dobráveis e mudanças de forma
Rossi-Gendron e colegas estudaram ainda mais os mecanismos de automontagem isotérmica, desenvolvendo um método para seguir o caminho de dobramento do origami de DNA 2D em tempo real. O trabalho mostrou que alcançar a estrutura de equilíbrio para um origami individual não dependia de um caminho de dobramento específico, mas sim de vários caminhos, até atingir a forma de equilíbrio alvo.
Estruturas parcialmente dobradas mostraram diversos estados iniciais de dobramento, o que implica que múltiplos caminhos de dobramento não dependiam da automontagem assistida pela superfície. Os resultados concluem que a formação isotérmica do origami é um processo regulado termodinamicamente pelo qual as estruturas atingem um estado de equilíbrio por meio da automontagem. Ao expor as formas do origami a um conjunto de produtos básicos competitivos, a equipe notou como a automontagem levou à evolução espontânea da forma do origami para uma construção estável dramaticamente diferente para criar um resultado de mudança de forma favorecido termodinamicamente.
Perspectiva
Desta forma, Rossi-Gendron e colegas usaram um tampão salino genérico e uma mistura altamente multicomponente de cadeias de DNA para se automontarem espontaneamente a temperatura constante em uma faixa de temperaturas para formar objetos com formato adequado como origamis ou nanorredes de DNA. Eles alcançaram esses resultados em temperatura ambiente para automontagem passo a passo conduzida termodinamicamente. Os resultados indicaram a possibilidade de funções dinâmicas em ambientes ambientais e sistemas vivos com temperaturas fixas para descoberta de nanoestruturas utilizando grandes bibliotecas de componentes de DNA.
Mais informações: Caroline Rossi-Gendron et al, Automontagem isotérmica de nanoestruturas de DNA multicomponentes e evolutivas, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01468-2 Paul W. K. Rothemund, Dobrando DNA para criar formas e padrões em nanoescala, Natureza (2006). DOI:10.1038/nature04586
Informações do diário: Nanotecnologia da Natureza , Natureza
