Tutorial de origami de DNA ensina nanofabricação passo a passo

Com informações do NIST - 19/01/2021

Esta colagem mostra algumas das técnicas empregadas no origami de DNA.
[Imagem: K. Dill/NIST]

Tutorial de origami de DNA

Na técnica conhecida como origami de DNA, os pesquisadores dobram longas fitas de DNA repetidamente para construir uma variedade de minúsculas estruturas 3D, de biossensores em miniatura a nanorrobôs para entrega de medicamentos.

Criado no Instituto de Tecnologia da Califórnia em 2006, o origami de DNA atraiu centenas de novos pesquisadores na última década, ansiosos por construir recipientes e sensores que possam detectar e tratar doenças no corpo humano, avaliar o impacto ambiental de poluentes e ajudar em uma série de aplicações não apenas biológicas, mas também para criar materiais reconfiguráveis e tudo o que se enquadra no campo da nanofabricação.

Embora os princípios do origami de DNA sejam diretos, as ferramentas e métodos da técnica para projetar novas estruturas nem sempre são fáceis de entender e nunca foram bem documentados. Além disso, os cientistas novos no campo não têm nenhuma referência a que possam recorrer para saber a maneira mais eficiente de construir estruturas de DNA e como evitar armadilhas que podem lhes custar meses ou até anos de pesquisa.

Foi por isso que Jacob Majikes e Alex Liddle, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST), que têm trabalhado com origami de DNA há anos, compilaram o primeiro tutorial detalhado sobre a técnica.

Seu relatório abrangente fornece um guia passo a passo para projetar nanoestruturas de origami de DNA, usando ferramentas de última geração.

"Queríamos pegar todas as ferramentas que as pessoas desenvolveram e colocá-las em um só lugar, e explicar coisas que você não pode dizer em um artigo científico tradicional," disse Majikes. "Os artigos de revisão podem dizer tudo o que todo mundo fez, mas não dizem como as pessoas fizeram."

O origami de DNA não serve apenas para a biologia, permitindo construir robôs e máquinas complexas em miniatura.
[Imagem: Hendrik Dietz/TUM]

Treinamento em origami de DNA

Os desafios no uso do origami de DNA são de duas ordens, explica Majikes. Em primeiro lugar, os pesquisadores estão fabricando estruturas 3D usando um idioma desconhecido - os pares de bases A, G, T e C. Além disso, eles estão usando esses pares de bases para torcer e destorcer a dupla hélice familiar das moléculas de DNA, de forma que as fitas dobrem em formas específicas. Isso pode ser difícil de projetar e visualizar.

Majikes e Liddle incentivam os pesquisadores interessados na área a fortalecer sua intuição de design construindo maquetes 3D, como esculturas feitas com ímãs em barra, antes de iniciar a fabricação usando origami de DNA.

Esses modelos, que podem revelar quais aspectos do processo de dobramento são críticos e quais são menos importantes, devem ser então "achatados" em 2D para se tornarem compatíveis com as ferramentas de design auxiliado por computador próprias para o origami de DNA, que normalmente usam representações bidimensionais.

O que é origami de DNA

O origami de DNA se baseia na capacidade dos pares de bases complementares da molécula de DNA de se ligarem uns aos outros. Entre as quatro bases do DNA - adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T) - A se liga a T e G a C. Isso significa que uma sequência específica de As, Ts, Cs e Gs vai encontrar e se ligar ao seu complemento.

A ligação permite que fitas curtas de DNA atuem como "grampos", mantendo seções de longas fitas dobradas ou unindo fitas separadas. Um design típico de origami pode exigir 250 grampos.

Desta forma, o DNA pode se automontar em uma variedade de formas, formando uma estrutura em nanoescala à qual uma variedade de nanopartículas - muitas úteis em tratamento médico, pesquisa biológica e monitoramento ambiental - podem se anexar.

Liddle e Majikes planejam continuar seu tutorial de DNA, disponível gratuitamente, com vários textos adicionais detalhando como fabricar com sucesso dispositivos em nanoescala específicos com DNA.

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