L’elevata velocità del motore rotante basato sul DNA consente a un semplice microscopio per smartphone di catturarne il movimento attraverso il video. Credito: Emory University

I chimici hanno integrato le funzioni del computer in motori rotanti basati sul DNA, aprendo un nuovo regno di possibilità per i robot molecolari in miniatura. Natura Nanotecnologia ha pubblicato lo sviluppo, i primi motori basati sul DNA che combinano la potenza computazionale con la capacità di bruciare carburante e muoversi in una direzione intenzionale.

“Una delle nostre grandi innovazioni, oltre a consentire ai motori del DNA di eseguire calcoli logici, è trovare un modo per convertire tali informazioni in un semplice segnale di uscita, movimento o assenza di movimento”, afferma Selma Piranej, dottoranda della Emory University in chimica e primo autore dell’articolo. “Questo segnale può essere letto da chiunque abbia in mano un telefono cellulare dotato di una lente d’ingrandimento economica.”

“La svolta di Selma rimuove i principali ostacoli che impedivano di rendere i computer DNA utili e pratici per una vasta gamma di applicazioni biomediche”, afferma Khalid Salaita, autore senior dell’articolo e professore di chimica Emory alla Emory University. Salaita fa anche parte della facoltà del Dipartimento di ingegneria biomedica di Wallace H. Coulter, un programma congiunto di Georgia Tech ed Emory.

I motori possono rilevare informazioni chimiche nel loro ambiente, elaborare tali informazioni e quindi rispondere di conseguenza, imitando alcune proprietà di base delle cellule viventi.

“I precedenti computer DNA non avevano il movimento diretto integrato”, afferma Salaita. “Ma per ottenere operazioni più sofisticate, è necessario combinare sia il calcolo che il movimento diretto. I nostri computer DNA sono essenzialmente robot autonomi con capacità di rilevamento che determinano se si muovono o meno”.

I motori possono essere programmati per rispondere a uno specifico agente patogeno o sequenza di DNA, rendendoli una potenziale tecnologia per test medici e diagnostici. Un altro progresso fondamentale è che ogni motore può funzionare in modo indipendente, con programmi diversi, mentre viene distribuito come gruppo. Ciò apre le porte a un’unica vasta gamma di motori di dimensioni micron per svolgere una varietà di compiti ed eseguire la comunicazione da motore a motore.

“La capacità dei motori del DNA di comunicare tra loro è un passo verso la produzione del tipo di azione collettiva complessa generata da sciami di formiche o batteri”, afferma Salaita. “Potrebbe anche portare a proprietà emergenti”.

La nanotecnologia del DNA sfrutta l’affinità naturale per le basi del DNA A, G, C e T per accoppiarsi tra loro. Muovendosi intorno alla sequenza di lettere su filamenti sintetici di DNA, gli scienziati possono far legare insieme i filamenti in modi che creano forme diverse e persino costruiscono macchine funzionanti.

Il laboratorio Salaita, leader in biofisica e nanotecnologia, ha sviluppato il primo motore rotante basato sul DNA nel 2015. Il dispositivo era 1.000 volte più veloce di qualsiasi altro motore sintetico, accelerando il fiorente campo della robotica molecolare. La sua alta velocità consente a un semplice microscopio per smartphone di catturarne il movimento attraverso il video.

Il “telaio” del motore è una sfera di vetro di dimensioni micron. Centinaia di filamenti di DNA, o “gambe” possono legarsi alla sfera. Queste gambe del DNA sono poste su un vetrino rivestito con l’RNA reagente, il carburante del motore. Le gambe del DNA sono attratte dall’RNA, ma non appena ci mettono piede lo cancellano attraverso l’attività di un enzima che si lega al DNA e distrugge solo l’RNA. Mentre le gambe si legano e poi si staccano dal substrato, continuano a guidare la sfera lungo.

Quando Piranej è entrata a far parte del laboratorio Salaita nel 2018, ha iniziato a lavorare a un progetto per portare i motorini di laminazione al livello successivo costruendo una logica di programmazione informatica.

“Sfruttare il DNA per il calcolo è un obiettivo importante nel campo biomedico”, afferma Piranej. “Adoro l’idea di usare qualcosa che è innato in tutti noi per progettare nuove forme di tecnologia”.

Il DNA è come un chip di un computer biologico, che immagazzina grandi quantità di informazioni. Le unità operative di base per il calcolo del DNA sono brevi filamenti di DNA sintetico. I ricercatori possono cambiare il “programma” del DNA modificando le sequenze di AGTC sui filamenti.

“A differenza di un chip di silicio rigido, i computer e i motori basati sul DNA possono funzionare in acqua e altri ambienti liquidi”, afferma Salaita. “E una delle grandi sfide nella fabbricazione di chip per computer in silicio è cercare di comprimere più dati in un footprint sempre più piccolo. Il DNA offre il potenziale per eseguire molte operazioni di elaborazione in parallelo in uno spazio molto piccolo. La densità di operazioni che potresti eseguire potrebbe anche andare all’infinito.”

Il DNA sintetico è anche biocompatibile ed economico da produrre. “Puoi replicare il DNA usando enzimi, copiandolo e incollandolo tutte le volte che vuoi”, dice Salaita. “È praticamente gratuito.”

Rimangono, tuttavia, limitazioni nel campo nascente del calcolo del DNA. Un ostacolo fondamentale è rendere facilmente leggibile l’output dei calcoli. Le tecniche attuali si basano fortemente sull’etichettatura del DNA con molecole fluorescenti e quindi sulla misurazione dell’intensità della luce emessa a diverse lunghezze d’onda. Questo processo richiede apparecchiature costose e ingombranti. Limita inoltre i segnali che possono essere letti a quelli presenti nello spettro elettromagnetico.

Sebbene sia stato addestrato come chimico, Piranej iniziò ad apprendere le basi dell’informatica e ad immergersi nella letteratura di bioingegneria per cercare di superare questo ostacolo. Ha avuto l’idea di utilizzare una reazione ben nota in bioingegneria per eseguire il calcolo e accoppiarlo con il movimento dei motori di rotolamento.

La reazione, nota come spostamento del filamento mediato da toehold, si verifica sul DNA duplex, due filamenti complementari. Le ciocche si abbracciano strettamente l’una all’altra tranne che per un’estremità sciolta e floscia di una ciocca, nota come presa della punta. Il motore di laminazione può essere programmato rivestendolo con DNA duplex complementare a un bersaglio DNA, una sequenza di interesse. Quando il motore molecolare incontra il bersaglio del DNA mentre rotola lungo la sua traccia di RNA, il bersaglio del DNA si lega alla presa del dito del DNA duplex, lo strappa e fissa il motore in posizione. La lettura del computer diventa semplicemente “movimento” o “nessun movimento”.

“Quando ho visto per la prima volta questo concetto funzionare durante un esperimento, ho prodotto questo suono davvero forte ed eccitato”, ricorda Piranej. “Uno dei miei colleghi è venuto e mi ha chiesto: ‘Stai bene?’ Niente è paragonabile a vedere la tua idea prendere vita in quel modo. È un grande momento”.

Queste due porte logiche di base di “movimento” o “nessun movimento” possono essere messe insieme per creare operazioni più complicate, imitando il modo in cui i normali programmi per computer si basano sulle porte logiche di “zero” o “uno”.

Piranej ha portato il progetto ancora oltre trovando un modo per raggruppare insieme molte diverse operazioni del computer e leggere facilmente l’output. Ha semplicemente variato le dimensioni e i materiali delle sfere microscopiche che formano il telaio per i motori rotanti basati sul DNA. Ad esempio, le sfere possono avere un diametro compreso tra tre e cinque micron ed essere realizzate in silice o polistirene. Ogni alterazione fornisce proprietà ottiche leggermente diverse che possono essere distinte al microscopio di un cellulare.

Il laboratorio Salaita sta lavorando per stabilire una collaborazione con gli scienziati dell’Atlanta Center for Microsystems Engineered Point-of-Care Technologies, un centro finanziato dai NIH fondato da Emory e Georgia Tech. Stanno esplorando il potenziale per l’uso della tecnologia di elaborazione del DNA per la diagnostica domestica di COVID-19 e altri biomarcatori di malattie.

“Lo sviluppo di dispositivi per applicazioni biomediche è particolarmente gratificante perché è un’opportunità per avere un grande impatto nella vita delle persone”, afferma Piranej. “Le sfide di questo progetto lo hanno reso più divertente per me”, aggiunge.