_ Capturarea ADN-ului origami pliat cu un noul model dinamic

Majoritatea oamenilor sunt familiarizați cu dublu-helix ADN. Forma de scară răsucită se formează deoarece bucățile lungi de ADN care alcătuiesc genomul nostru sunt exact complementare - fiecare adenină asociată cu o timină și fiecare citozină asociată cu o guanină. Secvențele acestor patru nucleotide dețin informațiile necesare pentru a construi proteinele din corpul nostru, dar ele codifică și propria lor structură dublu-helicol.

Din anii 1980, totuși, oamenii de știință au deturnat aceste reguli de împerechere pentru a construi structuri. altele decât duble elice. Acest domeniu se numește nanotehnologie ADN, iar implementarea sa cea mai populară, origami ADN, le permite cercetătorilor să plieze ADN-ul în orice formă, oferind o abordare puternică pentru construirea de dispozitive și mașini la scară nanometrică.

Origami ADN implică punerea unei bucăți lungi de ADN, numit schelă, împreună cu sute de bucăți scurte de ADN selectate cu atenție, numite capse, într-o eprubetă și lăsându-le să se plieze împreună în structura proiectată.

Tehnologia este remarcabil de eficientă, cu întregul proces are loc într-un singur pas experimental. În ciuda simplității aparente, procesul este complex, iar oamenii de știință nu au o imagine completă a ceea ce se întâmplă în timpul plierii. Microscoapele obișnuite au dificultăți în a vedea structurile ADN origami, deoarece acestea sunt atât de mici și cele care pot necesita atașarea structurilor de o suprafață.

O modalitate de a încerca să înțelegeți acest proces este prin simulări pe computer, folosind o abordare cunoscută sub numele de dinamică moleculară. Cercetătorii au încercat să folosească aceste simulări în trecut pentru a înțelege ce se întâmplă atunci când structurile origami ale ADN-ului se pliază. Cu toate acestea, modelele existente iau în considerare fiecare nucleotidă și mișcările rezultate ale structurii în evoluție pe miliarde de pași de timp mici. Procesul este solicitant din punct de vedere computațional, limitând dimensiunea structurilor și timpul în care dinamica poate fi simulată.

Pentru a ocoli acest obstacol, Gaurav Arya, profesor de inginerie mecanică și știință a materialelor la Universitatea Duke și studentul său doctorat Marcello Deluca fac un pas înapoi.

În loc să simuleze fiecare nucleotidă, au dezvoltat un nou model care le permite să surprindă dinamica acestui proces, luând în considerare doar comportamentul grupurilor de opt nucleotide. . Această simplificare înseamnă că, deși sunt încă capabili să simuleze structura pentru miliarde de pași, fiecare dintre acești pași poate fi mult mai mare și fiecare pas este mai ușor de simulat.

Folosind această abordare într-o lucrare publicată. online, 8 aprilie, în Nature Communications, Arya și DeLuca au arătat că pot modela dinamica plierii de sute de ori pentru origami ADN de peste 8.000 de nucleotide în dimensiune. Recordul anterior pentru o singură simulare a fost de 770.

„Tehnica noastră nu are detaliile moleculare ale modelelor existente, dar nu asta căutăm aici”, a spus Arya. „Suntem interesați de dinamica globală a structurilor complexe întregi, pe măsură ce se autoasamblează.”

Rezultatele dezvăluie deja multe noi perspective asupra dinamicii plierii origami. De exemplu, studiul a constatat că aceste structuri încep să semene foarte mult cu structurile finale pliate foarte devreme în proces, dar durează mult până se cristalizează în forma lor finală. Studiul a sugerat, de asemenea, că un fenomen numit impuls de pliere, care este foarte important în plierea proteinelor, poate fi în joc și în plierea origami.

Arya și DeLuca spun că această abordare ar putea ajuta în cele din urmă sute de alte cercetări. grupurile care lucrează în acest domeniu optimizează plierea structurilor lor. Reușind să simuleze rezultatul plierii unui design de mai multe ori într-o perioadă scurtă, oamenii de știință vor fi capabili să prezică produsul final și să aducă îmbunătățiri designului lor înainte ca acesta să fie achiziționat și pliat în laborator.

De asemenea, ei subliniază că această abordare de modelare ar putea ajuta la accelerarea potențialelor aplicații ale origami-ului ADN, de exemplu în livrarea de medicamente, deoarece oferă o înțelegere mai cuprinzătoare a ceea ce se întâmplă.

" Dispozitivele origami ADN pot fi proiectate pentru a elibera automat moleculele prinse odată ce sunt expuse la un anumit mediu, cum ar fi nivelurile mai scăzute ale pH-ului găsite în interiorul unei tumori”, a spus DeLuca.

„Dar o provocare majoră pentru a obține ceva de genul aprobarea este o înțelegere suficientă a acestor dispozitive, inclusiv a modului în care își pliază și își eliberează încărcătura. Dacă putem prezenta o imagine mai bună, ar putea atenua preocupările de reglementare pentru aceste tipuri de terapie.”

(Fluierul)