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Mattoncini di DNA per creare strutture complesse

Una nuova tecnica permette l’autoassemblaggio di strutture nanoscopiche tridimensionali a partire da corti filamenti di DNA diversi tra loro che si montano in modo modulare proprio come i mattoncini Lego®.Questa tecnica innovativa supera il principale problema della costruzione di strutture tridimensionali con il cosiddetto origami a DNA, ovvero la necessità di riprogettare un nuovo lungo flamento di DNA di supporto per ogni forma che si vuole ottenere .

Con un salto di qualità rispetto alla tecnica del cosiddetto origami a DNA, un gruppo di ricercatori del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering della Harvard University e del Massachusetts Institute of Technology è riuscito a sviluppare un metodo per costruire strutture tridimensionali autoassemblanti che possono essere montate esattamente come i mattoncini Lego®. La descrizione della tecnica è illustrata in un articolo a prima firma Yonggang Ke pubblicato su “”Science”.

Il risultato rappresenta un ulteriore progresso verso la possibilità di utilizzare le nanotecnologie del DNA per sofisticate applicazioni, come dispositivi medici intelligenti in grado di trasportare i farmaci su un bersaglio specifico, sonde programmabili per imaging, ma anche “stampi” per la costruzione di strutture di materiali inorganici per circuiti di computer di prossima generazione.

Nel classico origami a DNA, un lungo filamento di DNA che si ripiega per interagire con centinaia di frammenti di filamenti più corti viene sfruttato come impalcatura attorno a cui costruire strutture articolate. Questo approccio ha però l’inconveniente di esigere un’estrema complessità di calcolo delle posizioni delle basi per ottenere i ripiegamenti desiderati e, soprattutto, la necessità di riprogettare e produrre un nuovo filamento di impalcatura per ogni forma che si vuole ottenere.

Il nuovo metodo dei “mattoncini a DNA”, non richiede invece alcun filamento di impalcatura, ma sfrutta un’architettura modulare: ogni mattoncino può essere aggiunto o rimosso in modo indipendente. L’elemento di base delle strutture è un singolo filamento di DNA di soli 32 nucleotidi, che contiene quattro regioni che possono accoppiarsi a quattro corti filamenti di DNA adiacenti. Per poter costruire strutture 3D in modo periodico, i ricercatori hanno progettato i loro mattoncini in modo che si colleghino fra loro quando si trovino ruotati uno rispetto all’altro di 90°. Ogni mattoncino è codificato da una specifica sequenza che ne determina la posizione e consente alla struttura di assemblarsi grazie alla presenza di sequenze complementari.

In questo modo i ricercatori sono già riusciti a creare 102 strutture nanoscopiche tridimensionali, fra cui un cubo perfetto e altre più complesse, dotate di cavità interne variamente articolate.

“Ci stiamo muovendo alla velocità della luce nella nostra capacità di trovare soluzioni sempre più potenti per l’utilizzo molecole di DNA biocompatibili quali elementi strutturali di costruzione per le nanotecnologie, una cosa che potrebbe rivelarsi di grande valore per applicazioni mediche e di altro genere”, ha osservato il direttore del Wyss Institute, Don Ingber.

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