Costruire i materiali del futuro con il DNA

Costruire i materiali del futuro con il DNA

Una ricerca Sapienza-Università di Milano ha realizzato, a partire da filamenti di DNA assemblati artificialmente, nanomolecole non esistenti in natura da usare come mattoni di materiali innovativi. Lo studio è pubblicato su PNAS.

 

Schematizzazione del processo spontaneo di formazione di una stella di DNA con quattro braccia a partire da quattro sequenze di DNA, ciascuna costituita da 40 basi, opportunamente selezionate.  Le nanomolecole a stella si formano sotto i 60o C e iniziano ad aggregarsi, legandosi tra loro, sotto i 30o C. La scelta delle sequenze di basi consente di controllare le temperature di formazione e di legame (Disegno di L. Rovigatti).

 

 

 

 

 

 

Il DNA contiene tutte le informazioni necessarie per riprodurre la vita. Una lunga sequenza di quattro diverse basi codifica i geni degli 

organismi viventi e ne regola la loro espressione.

Oggi lo sviluppo di tecnologie avanzate ha consentito di ordinare direttamente in rete a costi accessibili filamenti assemblati artificialmente.

 

“Costruire con il DNA” è diventata la parola d’ordine di alcuni gruppi di scienziati che vogliono usare il polimero per applicazioni diverse da quelle strettamente biomediche.

Obiettivo? Creare nanomolecole non esistenti in natura da usare come mattoni di materiali innovativi con caratteristiche e potenzialità diverse a seconda dell’uso per il quale sono destinati. I vantaggi sono numerosi: il DNA è assolutamente biocompatibile, è a zero impatto ambientale e soprattutto è economico.

 

In un articolo recentemente pubblicato su PNAS un team di ricercatori della Sapienza,  coordinati da Francesco Sciortino, e dell’Università di Milano, guidati da Tommaso Bellini, con i finanziamenti del MIUR, ha dimostrato che, non solo è possibile “costruire” nanomolecole con il DNA, ma stabilendo la sequenza delle basi, si può intervenire sulla loro forma  e sul modo con cui queste interagiscono tra loro.

 

“Negli anni passati – spiega Francesco Sciortino – gli scienziati si sono dedicati a comprendere la materia che ci circonda, le leggi della meccanica quantistica che regolano le interazioni tra gli atomi e le molecole. Oggi gli scienziati sono impegnati a “costruire” nuove molecole”.

 

Ma come avviene questo processo? Le nuove molecole sono state sintetizzate per produrre, su nanoscala, strutture a forma di stella con un numero predefinito di bracci.  Mentre il centro della stella è formato da DNA a doppia elica, inerte, i bracci sono formati da singole eliche, che possono appaiarsi con i bracci delle stelle vicine. I ricercatori sono in grado così controllare l’aggregazione di queste stelle che, come gli atomi o le molecole, possono dare vita a stati gassosi, liquidi o cristallini ma a temperatura e densità definite.

Lo studio ha dimostrato come queste stelle riescano a formare un gel completamente costituito da DNA e acqua, un materiale nuovo, altamente biocompatibile, che può essere utilizzato come matrice per il trasporto di farmaci, come nano-fabbrica per la espressione di proteine (codificate dal DNA scelto), come materiale con proprietà elastiche controllabili con la temperatura.  

 

Questo primo lavoro ha confermato che è possibile ingegnerizzare nanomolecole e fare in modo che spontaneamente si aggreghino nella maniera voluta.

“Costruire con il DNA apre immensi orizzonti per la scienza dei materiali, limitati solo dalla nostra immaginazione”, conclude Sciortino.

Silvia Biffi, Roberto Cerbino, Francesca Bomboi Elvezia Maria Paraboschi, Rosanna Asselta, Francesco Sciortino and Tommaso Bellini 
Phase behavior and critical activated dynamics of limited-valence DNA nanostars 
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1304632110

PNAS  vol. 110 no. 39 15633-15637 (2013).

 

Prof. Francesco Sciortino