DNA em nanoengenharia / DNA nanoengineering

Gráfico de computador de engrenagens em nanoescala feitas de DNA (E) e microfotografias das reais nanoestruturas. Science/AAAS

Na mais recente fase da revolução da nanotecnologia, cientistas construíram uma coleção de minúsculos objetos de DNA, incluindo engrenagens dentadas, tubos curvos, e uma bola de praia com cinco milionésimos de centímetro de diâmetro.

Além de poder abrigar enormes quantidades de informação, o DNA é robusto e flexível, o que o torna um bom candidato para uso como nanomaterial. Avanços na biologia molecular nas décadas recentes asseguraram que os cientistas estejam agora bem equipados para trabalhar com o DNA e programá-lo para fazer o que quiserem.

"A principal vantagem do DNA é que nós o compreendemos", disse said Hendrik Dietz, agora chefe do Laboratório de Nanotecnologia Biomolecular da Universidade Técnica de Munique, na Alemanha. "O DNA é o único material que se pode programar na nanoescala."

Os blocos que formam o DNA podem ser feitos para montar a si mesmos, peça por peça, em uma estrutura desenhada pelo pesquisador.

"Temos um punhado de pequenas partes flutuando numa solução, batendo umas nas outras", explica William Shih da Universidade de Harvard, que integrou os trabalhos. "Às vezes, quando elas se chocam mutuamente da maneira que desejamos que o façam, elas não se soltam, e por meio de vários ciclos deste chocar mútuo e aderir, finalmente chegamos à forma desejada - se tivermos programado a estrutura das moléculas corretamente".

Dietz, Shih e seu colega Shawn Douglas utilizaram este método para montar pequenos componentes que poderiam, em princípio, ser montados em disposivos funcionais mais complexos.

Um comentário que acompanha seu artigo na revista Science observa: "É como se o DNA tivesse sido submetido à prática de Yoga para mostrar uma variedade de posturas diferentes na nanoescala".

As estruturas são feitas de feixes de cordões de dupla hélice de DNA. Alterando-lhes o comprimento, número ou disposição dos cordões, os cientistas puderam construir inúmeras formas em 3D.

Para fazer o feixe dobrar, por exemplo, eles adicionaram pares de nucleotídeos - os blocos básicos que formam o DNA - a um lado do feixe, tornando o outro lado ligeiramente mais longo, e apagaram pares de nucleotídeos no outro. Isso permitiu-lhes controlar com ajuste fino a curvatura de suas estruturas.

Esta foi a primeira vez que cientistas criaram nanoestruturas de DNA verdadeiramente curvas.

Anteriormente, só haviam conseguido fazer estruturas retas ou retorcidas.

O passo seguinte foi juntar um número de subunidades curvadas para fazer estruturas 3D mais complexas, que os pesquisadores projetaram com a ajuda de uma ferramenta de aplicativo gráfico que desenvolveram especialmente para a tarefa.

Finalmente, potografaram as nanoestruturas usando um microscópio eletrônico para confirmar que haviam obtido as formas desejadas.

Dietz está confiante que as nanoestruturas de DNA chegarão a servir sozinhas a uma variedade de aplicações.

"No curto prazo, eu diria que as aplicações imediatas serão em pesquisa científica. Agora, temos um biomaterial que podemos programar na nanoescala para resolver questões em biofísica e nanoquímica".

Em prazo mais longo, ele almeja construir dispositivos médicos "que poderiam entrar nas células e seriam capazes de executar algum trabalho lá dentro".

Como qualquer cientista sensível trabalhando no fio da navalha, ele percebeu que havia ainda algum caminho a percorrer. "Ainda estamos lutando com deficiências, mas estou otimista que haverá muitas aplicações adicionais no futuro".

In the latest phase of the nanotechnology revolution, scientists have built a collection of minuscule objects from DNA, including toothed gears, curved tubes, and a wireframe beach ball five millionths of a centimetre in diameter.

As well as being able to hold vast amounts of information, DNA is tough and flexible, making it an attractive candidate for use as a nanomaterial. Advances in molecular biology in recent decades have meant that scientists are well equipped to work with DNA and program it to do whatever they want.

"The main advantage of DNA is that we understand it," said Hendrik Dietz, now head of the Laboratory for Biomolecular Nanotechnology at München Technical University in Germany. "DNA is the only material that we can program at the nanoscale."

The building blocks of DNA can be made to assemble themselves, piece by piece, into a structure designed by the researcher.

"We have a bunch of small parts that are floating around in solution, bumping into each other," explains William Shih of Harvard University, who also worked on the study. "Sometimes when they bump into each other in the way that we want them to they don't let go, and through many cycles of this bumping into each other and sticking, eventually we end up with the desired shape – if we've programmed the structure of the molecules correctly."

Dietz, Shih and their colleague Shawn Douglas used this method to build tiny components that could, in principle, be assembled into more complex functional devices.

A commentary accompanying their paper in the journal Science observes: "It is as if DNA has been subjected to the practice of yoga to display a variety of different postures at the nanoscale."

The structures are made from bundles of double-helix DNA strands. By altering the length, number and arrangement of strands, the scientists were able to construct several 3D shapes.

To make the bundle bend, for example, they added pairs of nucleotides – the basic building blocks of DNA – on one side of the bundle, making that side slightly longer, and deleted nucleotide pairs on the other. This allowed them to finely control the curvature of their structures.

This is the first time that scientists have created truly curved DNA nanostructures. Previously scientists have only managed to make straight or kinked structures.The next step was to put together a number of curved subunits to make more complex 3D structures, which the researchers designed with the help of a graphical software tool they developed specially for the task.

Finally, they photographed the nanostructures using an electron microscope to confirm they had achieved the desired shapes.

Dietz is confident that DNA nanostructures will come into their own in a range of applications. "In the short term, I would say that the immediate applications are in basic science research. Now we have a biomaterial that we can program at the nanoscale to address questions in biophysics or nanochemistry."

In the longer term, he envisages constructing medical devices "that could get into cells and might be capable of performing some job there".

Like any sensible scientist working at the cutting edge, he acknowledged there was some way to go. "We're still struggling with defects, but I'm optimistic that there are a lot of applications that we can use in the future."