Il fascino degli origami applicato al DNA

Motore a cricchetto rotante origami DNA fonte Nature
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La Scienza ha un fascino che non è alla portata di tutti ma solo di chi è in grado di comprenderne il “peso”, di sobbarcarsene i lunghi sacrifici, per poi un giorno, forse, godere di risultati a lungo rincorsi. A volte il periodo della rincorsa o della sfida è talmente lungo da lasciare solo il ricordo di aver iniziato quella strada mentre sarà per altri la fortuna di portarla a conclusione.

Il caso degli Origami del DNA potrebbe rispondere a pieno su quanto asserito. È noto che la cultura giapponese, grazie alle tecniche per piegare la carta, crea figure, giochini geometrici, animali, fiori che a volte godono anche di una qualche animazione. Quelli della mia generazione ricorderanno la creazione – partendo da un foglio di quaderno strappato – di un cigno, una barchetta, o di un cappello da muratore, di un sistema di numerazione scritto su parti di un foglio che inserendovi le dita si aprivano e chiudevano lasciando leggere i numeri, oppure delle girelle di carta che si lasciavano operare mentre si andava controvento.

Su queste antiche manipolazioni si è innestata l’intuizione di utilizzare il DNA per sfruttare alcune caratteristiche dalle quali trarre vantaggio. Devo riconoscere che mi ha profondamente segnato ed incuriosito non poco la fantasia e la bellezza preziosa in senso lato, quasi artistica, che ha animato l’intuizione che travalica i principi fisici, energetici, dinamici e biologici dei sistemi in studio.

L’uso che si è ipotizzato, appunto, è la costruzione di un motore molecolare, che ha nel “DNA origami” il suo minimo comun denominatore. Appare come un ineguagliabile esercizio dimostrativo del quale i fisici hanno preso padronanza e dimestichezza e Nature ne ha dato ampiamente notizie nel tempo. [1]
È però lontana la dimensione dell’utilità, ancora da definire e sviluppare.

Le ipotesi prevedevano la possibilità di costruire un nano motore molecolare formato da filamenti di DNA avvolti come una molla in grado di immagazzinare al proprio interno energia. L’elaborazione di questa prima ipotesi ha consentito poi l’intervento di un altro biofisico, Hendrik Dietz dell’Università di Monaco, che è riuscito a dimostrare come questo nano motore potesse produrre un lavoro di tipo meccanico e misurabile. Ha cioè illustrato come una minuscola macchina che otteneva energia dal moto browniano di alcune molecole (i moti browniani sono movimenti scomposti, disordinati, incessanti, di particelle sospese in liquidi e gas) potesse indurre i filamenti di DNA ad avvolgersi per formare una spirale che ha la funzionalità di una molla.

L’intuizione partiva dalla considerazione che in natura ogni cellula ha svariate macchine molecolari al suo interno, come anche motori rotanti che ad esempio hanno compiti come quello di agitare il flagello di un batterio oppure la produzione dell’energia cellulare sotto forma di ATP, il celebre adenosintrifosfato, il ribonucleoside composto da tre gruppi fosfato, la base azotata adenina, ed un pentoso che è lo zucchero presente nella molecola.
Ogni gruppo fosfato di questo composto era in grado di liberare l’energia necessaria alle reazioni metaboliche di cui era componente energetico essenziale. L’ipotesi era che, meccanismi tipo le ruote dentate di un orologio dette a cricchetto, girino avvolgendo a spirale filamenti di DNA creando una molla a spirale.

Questa storia parte da molto prima, se ne iniziò a parlare il 16 marzo del 2006 quando sempre Nature [2] pubblicò un articolo che illustrava come si possa, attraverso lo sfruttamento delle proprietà di atomi e molecole, indirizzare la formazione di nano strutture partendo dalle più semplici per poi giungere ad organizzare i filamenti di DNA facendo in modo che, quelli più corti tra loro, li obblighino a piegarsi nelle forme volute.
Era la prima comunicazione che annunciasse la formazione di origami che nel tempo sono sempre diventati più complessi con forme bidimensionali e tridimensionali.

Motore a cricchetto rotante origami DNA fonte Nature
Motore a cricchetto rotante origami DNA fonte Nature

a,b, Schemi di un piedistallo e di una piattaforma triangolare, rispettivamente. I cilindri indicano le doppie eliche del DNA. c, Illustrazione schematica delle fasi di assemblaggio del motore. d,e, Componenti del braccio del rotore. f, a sinistra, illustrazione schematica della configurazione sperimentale per l’osservazione della dinamica motoria in un microscopio TIRF invertito. Il piedistallo è fissato attraverso diversi collegamenti biotina-neutravidina a un coverslip del microscopio. Stella arancione, coloranti Cy5. Stelle blu, posizioni di etichettatura per i filamenti di imager DNA-PAINT. A destra, due elettrodi di platino sono immersi nella camera liquida dall’alto e collegati a un generatore di funzione che genera una corrente alternata a onda quadra per creare una modulazione energetica ad asse fisso che agisce su tutti i motori.

 

Si ipotizzò che questo genere di nano motori potesse avere una certa applicazione nel campo delle sintesi chimiche ed in farmacologia. A Monaco il prof. Dietz ed i suoi collaboratori andarono avanti. Volevano progettare un motore a DNA che traesse energia dai moti browniani; per questo sono partiti da piattaforme triangolari di DNA che avevano un’asta sporgente. Hanno aggiunto alla struttura lunghe braccia di DNA che si attaccavano alle piattaforme in modo che ruotassero attorno all’asse. Avveniva che i moti browniani spingessero con rotazioni di mezzo giro che consentivano di superare dossi presenti sulle piattaforme. Questi movimenti sarebbero andati avanti in modo casuale così, per regolarizzarli, è stata immessa una tensione attraverso elettrodi che ha indirizzato la rotazione più favorevolmente in una direzione. Il meccanismo era stato chiamato “cricchetto browniano lampeggiante” ed assimilabile ad un motore. Inoltre per poter dimostrare la possibilità di svolgere un lavoro utile, i ricercatori hanno aggiunto un filamento di DNA a quel rotore in modo che fosse avvolto come una spirale a molla. La stessa cosa che avviene negli ingranaggi di un classico orologio meccanico. [3]

Per le dimostrazioni sono state utilizzate immagini a fluorescenza, la criomicroscopia elettronica (Crio-EM) e tecniche di microscopia a fluorescenza a riflessione interna totale (TIRF) .
Emidio Maria Di Loreto

[1] https://doi.org/10.1038/d41586-022-01992-6
[2] https://www.nature.com/articles/nature04586
[3] Tutte le indicazioni progettuali con le spiegazioni e le varie fasi della progettazione del motore e la configurazione sperimentale, comprensive dell’analisi strutturale del motore, sono riportate in “Un motore a cricchetto rotante per origami DNA- A DNA origami rotary ratchet motor ”; https://doi.org/10.1038/s41586-022-04910-y

L’articolo è su licenza https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

 

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