Il DNA origami e i nanorobot

L'origami è l'antica arte giapponese del piegare la carta. Nella sua accezione moderna la tecnica permette di ottenere configurazioni estremamente elaborate mediante un numero limitato di piegature.

Il DNA origami è una tecnica per creare nanostrutture usando il DNA, e non più carta, come materiale di partenza. Il DNA non considerato in questo ambito come contenitore di informazioni (quale proteina sintetizzare oltre che quanto, quando e dove sintetizzarla), ma come materiale di costruzione. La naturale complementarietà delle basi nucleotidiche (A/T e C/G) permette di stabilizzare reversibilmente, le diverse strutture disegnate. facendo aderire, come dei fermagli molecolari, regioni specifiche del DNA.

L'elemento portante da plasmare più comunemente usato è un DNA virale sufficientemente lungo, mentre i fermagli sono tante piccole sequenze di DNA.

Uno smiley fatto solo di DNA (®newscientist.com)

Le tecniche di assemblaggio e le figure ottenibili sono diverse. Per una veloce panoramica consiglio caldamente di leggere il blog Bio 2.0, gestito direttamente dalla rivista scientifica di eccellenza Nature (--> qui)

Oggi vorrei invece soffermarmi sulle potenzialità di questa tecnica.
Un esempio? Creare strutture in grado di individuare e distruggere cellule bersaglio, riconosciute come tali attraverso l'interazione con recettori cellulari. I ricercatori hanno chiamato queste strutture nanorobot in quanto come i robot sono in grado di eseguire compiti. Un articolo che descrive questo approccio è stato pubblicato su Science lo scorso anno da un team della Harvard Medical School coordinato da GM Church.

L'idea ricalca la modalità di azione dei virus batterici: una volta in contatto con la superficie cellulare il virus infila nella cellula una estremità, come fosse un ago, e grazie alla differenza di pressione fra i due comparti il DNA virale tracima nella cellula lasciando un involucro vuoto e inutile sulla superficie. Per dirla molto molto banalmente è come una chiave collegata ad un palloncino e chiusa all'estremità: una volta che la chiave entra nella serratura (cioè il recettore), l'estremità della chiave si apre ed il palloncino si sgonfia emettendo il suo contenuto al di là della serratura.

Il nanorobot nelle diverse fasi di assemblaggio
(®Science.com)

Per disegnare la struttura idonea i ricercatori si sono avvalsi di un software open-source creato dal biofisico Shawn Douglas. I nanorobot-cargo (visto che il trasporto è proprio il loro compito) hanno la forma di cilindri del diametro di 35 nanometri (nm). Questi contengono nella parte cava interna 12 siti a cui si legano temporaneamente le molecole da trasportare mentre all'estremità vi sono degli aptameri (cioè brevi sequenza di DNA in grado di interagire con proteine specifiche). Avvenuto il contatto con il recettore cellulare, gli aptameri cambiano di conformazione; in conseguenza l'estremità si trasforma in un minuscolo ago di 35 nm attraverso cui fluiscono le molecole intrappolate. Se ipotizziamo che le molecole trasportate siano sostanze come farmaci antitumorali, anticorpi, tossine, etc … si comprendono le potenzialità terapeutiche dei nanorobot. Armi assolutamente specifiche dirette contro la cellula bersaglio. I nanorobot non utilizzati vengono metabolizzati (distrutti) durante il passaggio nel fegato ed i componenti costitutivi riciclati.

In alternativa, qualora la loro funzione dovesse essere quella di pattugliare l'organismo a scopo preventivo, si potrebbe rivestirli, come viene fatto con alcuni farmaci, di polietilenglicol (PEG), un composto inerte ed innocuo già ampiamente usato come eccipiente stabilizzante.

I test sui topi sono appena iniziati.


Seguono video in cui si mostra:
1)  l'assemblaggio di un nanorobot a DNA

2) una delle applicazioni potenziali, la riparazione del DNA-

3) l'intervista agli autori dell'articolo oggi riassunto

La copertina della rivista Nature dedicata al DNA origami

Come nasce un origami usando DNA complementari

10 anni dopo l'invenzione della tecnica. Lo stato dell'arte

Fonti
- A Logic-Gated Nanorobot for Targeted Transport of Molecular Payloads
   Shawn M. Douglas, Ido Bachelet, George M. Church,  Science 17 February 2012
- DNA robot could kill cancer cells
  Alla Katsnelson, Nature 2012
- Folding dna to create nanoscale shapes and patterns
 Paul K. Rothemund, Nature (2006)