Origami de fita simples de DNA e RNA que pode se dobrar autonomamente em estruturas definidas

A primeira abordagem nanotecnológica permite o projeto e a replicação de cadeias simples complexas ADN e ARN origami com potencial para distribuição de medicamentos e nanofabricação.

Os nanotecnólogos estão usando o DNA, o material genético presente nos organismos vivos, bem como seu primo multifuncional, o RNA, como matéria-prima nos esforços para construir dispositivos minúsculos que poderiam funcionar como veículos de distribuição de medicamentos, minúsculas nanofábricas que produzem produtos farmacêuticos e químicos, ou altamente elementos sensíveis de tecnologias elétricas e ópticas.

Tal como o ADN genético (e o ARN) na natureza, estes dispositivos nanotecnológicos projetados também são constituídos por cadeias compostas por quatro bases conhecidas abreviadamente como A, C, T e G. As regiões dentro dessas cadeias podem dobrar-se espontaneamente e ligar-se umas às outras. por meio de sequências de bases curtas e complementares nas quais As de uma sequência se ligam aos Ts de outra e Cs aos Gs.

Pesquisadores do Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada da Universidade de Harvard e de outros lugares usaram esses recursos para projetar nanoestruturas automontáveis, como origami de DNA em andaimes e tijolos de DNA de tamanhos e complexidades cada vez maiores que estão se tornando úteis para diversas aplicações. No entanto, a tradução destas estruturas para aplicações médicas e industriais ainda é um desafio, em parte porque estes sistemas multifilamentos são propensos a defeitos locais devido à falta de fios. Além disso, eles montam centenas a milhares de sequências de DNA individuais, cada uma delas devendo ser verificada e testada para aplicações de alta precisão, e cuja síntese dispendiosa geralmente produz produtos secundários indesejados.

Agora, uma nova abordagem publicada na Science por uma equipe colaborativa de pesquisadores do Wyss Institute, da Arizona State University e da Autodesk permite pela primeira vez o projeto de origami complexo de DNA e RNA de fita simples que pode se dobrar autonomamente em diversos e estáveis , estruturas definidas pelo usuário. Em contraste com a síntese de nanoestruturas multifilamentares, estes tipos inteiramente novos de origami são dobrados a partir de uma única cadeia, que pode ser replicada em células vivas. Isto poderia permitir a produção de baixo custo em larga escala e com elevada pureza, abrindo oportunidades inteiramente novas para diversas aplicações, como distribuição de medicamentos e nanofabricação.

As gerações anteriores de origami de tamanho maior eram compostas por um fio central de andaime cuja dobragem e estabilidade exigiam mais de 200 fios curtos que ligavam partes distantes do andaime e as fixavam no espaço. “Em contraste com os origamis de andaimes tradicionais, que são montados a partir de centenas de componentes, nossa nova abordagem nos permite projetar e sintetizar de maneira confiável origami de fita simples e autodobrável”, disse Peng Yin, membro do corpo docente do Wyss Institute e autor correspondente. “Nossa abordagem fundamentalmente nova depende do dobramento de cadeia única, em vez da montagem de múltiplos componentes, para produzir grandes nanoestruturas. Isto, juntamente com a capacidade de basicamente clonar e multiplicar a fita de componente único em bactérias, apresenta um avanço revolucionário na nanotecnologia de DNA que aumenta muito o potencial do origami de fita simples para aplicações no mundo real.” Yin também é co-líder da Iniciativa de Robótica Molecular do Wyss Institute e professor de biologia de sistemas na Harvard Medical School (HMS).

Para permitir a produção de origami baseado em DNA de fita simples e estável com padrões de dobramento distintos, a equipe primeiro teve que superar vários desafios. Numa grande cadeia de ADN que passa por um complexo processo de dobragem, muitas sequências precisam de emparelhar com precisão com sequências distantes. Se esse processo não acontecer de forma ordenada e precisa, o fio fica emaranhado e forma nós inespecíficos no caminho, inutilizando-o.

“Para evitar este problema, identificámos novas regras de design que podemos usar para cruzar cadeias de ADN entre diferentes regiões de cadeia dupla, e desenvolvemos uma ferramenta de design automatizada baseada na web que permite aos investigadores integrar muitos destes eventos num caminho dobrável que leva até para um nanocomplexo grande e sem nós”, disse Dongran Han, primeiro autor do estudo e pós-doutorado na equipe de Yin.

As maiores estruturas de origami de DNA criadas anteriormente foram montadas sintetizando todas as suas sequências constituintes individualmente in vitro e misturando-as. Como uma característica fundamental do novo processo de design, a cadeia simples do origami de DNA permitiu aos pesquisadores introduzir sequências de DNA de forma estável nas bactérias E. coli para replicá-las de maneira barata e precisa a cada divisão celular. “Isso poderia facilitar muito o desenvolvimento de origami de fita simples para nanotecnologia de alta precisão, como veículos de distribuição de medicamentos, por exemplo, já que apenas uma única molécula fácil de produzir precisa ser validada e aprovada”, disse Han.

Finalmente, a equipe também adaptou a tecnologia de origami de fita simples ao RNA, que, como um nucleico diferente ácido material, oferece certas vantagens, como níveis de produção ainda mais elevados em bactérias e utilidade para potenciais aplicações intracelulares e terapêuticas de RNA. Traduzir a abordagem para o RNA aumenta o tamanho e a complexidade das estruturas sintéticas de RNA em 10 vezes em comparação com estruturas anteriores feitas de RNA.

A análise de prova de conceito também provou que alças salientes de DNA podem ser posicionadas com precisão e usadas como alças para anexar proteínas funcionais. Em desenvolvimentos futuros, o origami de fita simples poderia, portanto, ser funcionalizado anexando enzimas, sondas fluorescentes, partículas metálicas ou drogas em suas superfícies ou dentro de cavidades internas. Isso poderia efetivamente converter o origami de fita simples em nanofábricas, dispositivos ópticos emissores e sensores de luz ou veículos de distribuição de drogas.

Referência: “Origami de fita simples de DNA e RNA” por Dongran Han, Xiaodong Qi, Cameron Myhrvold, Bei Wang, Mingjie Dai, Shuoxing Jiang, Maxwell Bates, Yan Liu, Byoungkwon An, Fei Zhang, Hao Yan e Peng Yin, 15 de dezembro 2017, Ciência.
DOI: 10.1126/science.aao2648