DNA robotici: i “nano-corrieri” molecolari

Ormai siamo abituati a sentir parlare di nanomolecole e dispositivi nanometrici; ed ancora di più lo siamo a sentir parlare di DNA, della sua composizione e delle abilità raggiunte nel manipolarlo. Raramente, però, queste due realtà sono state a cosi stretto contatto come nel progetto presentato dal team del California Institute of Technology (Caltech), i cui risultati sono stati pubblicati lo scorso settembre sulla prestigiosa rivista Science.

Il progetto del nanorobot è stato presentato dal laboratorio di bioingegneria della Caltech, guidato dal responsabile Lulu Qian e coordinato da Anupama Thubagere. La pubblicazione ha destato nel mondo biomedico un fondato entusiasmo.

Il “DNA robot”

“Proprio come i robot elettromeccanici vengono mandati in posti lontani, come ad esempio Marte, il nostro scopo è mandare robot molecolari in posti microscopici dove gli esseri umani non possono entrare. Il nostro obiettivo era progettare e costruire un robot molecolare in grado di poter riordinare le molecole con precisione” ha dichiarato il dottor Qian. Questo è possibile grazie alla particolare composizione del robot, costituito da veri e propri “blocchi” di DNA. Il DNA ha delle caratteristiche chimico-fisiche ben note così come il suo funzionamento, perciò i ricercatori hanno sfruttato la prevedibilità del suo comportamento rendendo il robot programmabile. Questo è costituito da una sequenza di nucleotidi lunga circa 6 nanometri (53 nucleotidi) divisa in tre blocchi: un “corpo” centrale al quale sono attaccati due “piedi” e un braccio completo di “mano”. Le sottosequenze che costituiscono i piedi servono al robot per spostarsi in una determinata direzione mentre la mano ha il compito di agganciare la molecola da trasportare.

Come funziona?

I nucleotidi, che costituiscono i filamenti di DNA, si legano in modo univoco e questo è il principio sfruttato dai ricercatori per selezionare il percorso e le molecole da trasportare. Il robot si muove grazie ai legami complementari dei nucleotidi con quelli componenti il “terreno”. I piedi del robot si legano al substrato uno alla volta: quando un piede è legato ad un nucleotide del substrato, l’altro è libero di fluttuare fino a che non trova un attacco libero complementare. A questo punto, si forma un nuovo legame che, rompendo quello dell’altro piede, tira in avanti il robot sulla superficie. Il principio del legame complementare si sfrutta anche relativamente al legame “mano”-molecola.

L’esperimento

Il team ha preparato una cosiddetta “struttura d’imbarco” grande 58 nanometri per 58 nanometri costituita da filamenti di DNA complementari ai piedi del robot. Su questa superficie sono stati preparati 2 gruppi di 3 molecole target marcate a fluorescenza rispettivamente di giallo e rosa.

Muovendosi liberamente sulla scheda molecolare, il robot non solo è riuscito ad individuare entrambi i gruppi di molecole, agganciandole e trasportandole nel sito prefissato con una velocità di circa 1 passo ogni 5 minuti, ma anche di ordinare le tre molecole di ogni gruppo nell’ordine previsto, completando il suo compito in circa 24 ore. Esperimenti successivi hanno dimostrato che il robot riesce a completare con successo il suo lavoro in più dell’80% dei casi con diverse configurazioni iniziali del substrato e delle molecole target.

Prospettive future

La possibilità di trasportare molecole potrebbe aprire nuove frontiere della medicina. Questi robot, infatti, potrebbero trasportare molecole e magari farmaci specifici in distretti cellulari finora irraggiungibili, ma, se ben programmati, potrebbero addirittura sintetizzare essi stessi le molecole partendo dalle più piccole parti.

C’è inoltre da considerare che i singoli blocchi costituenti il corpo del robot sono praticamente assemblabili in una miriade di configurazioni e, soprattutto, nulla vieta di utilizzare un piccolo esercito di robot per svolgere più compiti e lavorare con molecole più complesse.

Non sviluppiamo robot a DNA per applicazioni specifiche: il nostro laboratorio è concentrato a sviluppare dispositivi a scopo generico. Tuttavia, la mia speranza è che altri ricercatori possano sfruttare questi risultati per nuove e affascinanti applicazioni.

Ha spiegato il capo progetto Qian.

Articolo di Nicola Vinci.