Nanomacchine autonome ispirate alla natura

Rappresentazione artistica della nanomacchina del DNA con carico proteico, circondata da altre subunità proteiche in soluzione. Crediti: Jonathan Berengut

Ispirandosi al modo in cui le molecole interagiscono in natura, i ricercatori medici dell’UNSW progettano macchine versatili su nanoscala per consentire una maggiore gamma funzionale.

Per resistere alle condizioni difficili all’interno degli organismi viventi, le macchine molecolari devono essere costruite in modo durevole per un funzionamento continuo per lunghi periodi. Allo stesso tempo, devono adattarsi alle diverse esigenze e al loro ambiente mutevole sostituendo rapidamente i componenti molecolari per riconfigurare i macchinari.

Una squadra, guidata da A/Prof. Lawrence Lee di EMBL Australia Node in Single Molecule Science di UNSW Medicine & Health, riporta come hanno progettato e costruito macchine molecolari a scambio rapido con stabilità nella rivista ACS Nano.

“Abbiamo adottato un approccio di biologia sintetica a questo problema costruendo una macchina nanoscopica artificiale utilizzando DNA e componenti proteici. Essere in grado di scambiare subunità aumenta la funzionalità, proprio come osserviamo in biologia”, ha affermato A/Prof. Lee, un ricercatore della UNSW School of Medical Sciences e dell’ARC Center of Excellence in Synthetic Biology.

Lui e il suo team hanno progettato macchine molecolari piegando filamenti di DNA in forme tridimensionali, una tecnica chiamata DNA origami. Hanno dimostrato che le loro nanomacchine del DNA potrebbero trasportare sia il DNA che il carico di proteine ​​e sarebbero generalmente compatibili con altre biomolecole e nanoparticelle. Il carico si lega in più siti al recettore del DNA e può essere spostato da un nuovo carico tramite un processo di legame competitivo, quando altro carico è presente in soluzione.

Un esempio di una delle macchine della natura che incarna il paradosso della stabilità e del rapido scambio è una macchina cellulare che fa copie del DNA, il replisoma del DNA. Il meccanismo di scambio competitivo utilizzato dal replisoma per ottenere simultaneamente queste proprietà opposte è stato proposto in una precedente pubblicazione in Ricerca sugli acidi nucleici dall’équipe del prof. Antoine van Oijen dell’Università di Woollongong, che è anche coautore dello studio attuale.

A/Prof. Lee e il suo team hanno ora dato vita a questa teoria utilizzando la nanotecnologia del DNA e l’ingegneria delle proteine. “È il primo sistema sintetico che ha utilizzato questo cosiddetto principio di ‘scambio competitivo multisito'”, ha affermato.

Sono stati segnalati altri meccanismi che conferiscono le doppie proprietà di robustezza e scambio rapido, ma fino ad ora questa dicotomia non è stata possibile con altre biomolecole.

“Finora, tutte le macchine molecolari sintetizzate utilizzando la nanotecnologia del DNA sono azionate dallo scambio di un filamento di DNA, ma lo scambio solo del DNA è un po’ limitante. I nostri risultati espandono la complessità funzionale disponibile per la nanotecnologia del DNA”, ha affermato A/Prof. Lee.

Crede che ci sia una generosità di conoscenza in natura a cui i ricercatori di nanotecnologia possono attingere. “Lo scambio rapido e il mantenimento di un’elevata stabilità sembrano essere due stati incompatibili, eppure ci sono così tante macchine naturali su scala nanometrica che si comportano in questo modo”.

Il campo della nanotecnologia del DNA è ancora agli inizi. Mentre ci sono molte altre sfide progettuali da superare affinché i ricercatori siano in grado di realizzare il pieno potenziale delle macchine molecolari, la capacità di creare macchine in grado di agire in modo autonomo e adattarsi ai cambiamenti nell’ambiente sostituendo diverse biomolecole, questo è un grande passo verso una gamma di applicazioni, dalla costruzione di materiali intelligenti reattivi alla somministrazione mirata di farmaci terapeutici nelle cellule malate e molto altro ancora.


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Maggiori informazioni:
James WP Brown et al, Rapid Exchange of Stally Bound Protein and DNA Cargo su un DNA Origami Recettore, ACS Nano (2022). DOI: 10.1021/acsnano.2c00699

Fornito dall’Università del New South Wales

Citazione: Nanomacchine autonome ispirate dalla natura (2022, 23 marzo) recuperate il 24 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-autonomous-nanomachines-nature.html

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