Proiectarea megastructurilor din ADN devine accesibilă prin #-CAD
Cercetătorii au publicat în Nature Communications un cadru computațional care standardizează proiectarea și fabricarea megastructurilor din ADN prin polimerizare încrucișată, făcând această tehnologie mai accesibilă unui număr mai mare de laboratoare.
Ideea utilizării ADN-ului ca material structural a fost propusă pentru prima dată în urmă cu 44 de ani de Nadrian Seeman. De atunci, domeniul nanotehnologiei ADN a cunoscut numeroase inovații, printre care tehnica origami ADN, care permite plierea unui singur lanț lung de ADN într-o formă 2D sau 3D dorită. Grupul condus de William Shih a extins conceptul de origami ADN 2D la geometrii 3D, permițând construirea de structuri multistrat mai stabile și mai rigide.
În 2021, echipa a pionierat un concept de nanofabricare numit „polimerizare încrucișată”, prin care benzi nanometrice de ADN sunt țesute din lame formate din lanțuri alungite de ADN. Pornind de la o sămânță minusculă, benzile pot crește până la câțiva micrometri lungime. În 2023, echipa a aplicat acest principiu pentru a construi structuri semnificativ mai mari și mai complexe, folosind lame realizate din rețele de structuri origami ADN interconectate.
Provocarea potrivirii mânerelor de ADN
În timpul polimerizării încrucișate, mai multe lame origami sunt asamblate într-o grilă pe structura sămânță. Apoi, o a doua grilă antiparalelă se formează la un unghi de 90 de grade. Acest pas se repetă până când megastructura atinge dimensiunea și forma finală. Asamblarea se bazează pe secvențe scurte de ADN numite „mânere”, care funcționează ca un velcro molecular pentru a conecta poziții specifice de pe lamele dintr-un strat la pozițiile corespunzătoare din stratul următor. Precizia asamblării depinde de acuratețea cu care funcționează toate mânerele; mânerele care se leagă de parteneri greșiți perturbă procesul de auto-asamblare, reducând randamentul general.
Pentru a minimiza aceste nepotriviri, echipa condusă de Matthew Aquilina și Florian Katzmeier a dezvoltat un algoritm evolutiv care optimizează selecția mânerelor și proiectarea origami încă de la început. Algoritmul este integrat într-o interfață grafică ușor de utilizat, care oferă control asupra întregului proces de proiectare și fabricare. După ce utilizatorii configurează megastructura dorită folosind pachetul software personalizat #-CAD, algoritmul testează multiple secvențe candidate de mânere dintr-o bibliotecă existentă la fiecare nod care conectează lamele din straturi diferite. Penalizează secvențele care ar duce la nepotriviri, le păstrează pe cele mai bune, le modifică ușor prin înlocuirea unor mânere (mutație) și repetă operația până găsește un optim.
„Algoritmul evoluează toate cele mii de mânere dintr-o megastructură încrucișată foarte complexă în paralel”, a declarat Aquilina. „Prin prezicerea unui set de mânere cu cea mai mare probabilitate de a asambla o megastructură bine formată, elimină un blocaj central într-un proces de proiectare altfel descurajator, rezolvând practic un puzzle de milioane de piese în 3D.”
Automatizarea fabricării
#-CAD oferă, de asemenea, rezultate gata de fabricație, inclusiv instrucțiuni pentru roboți care preiau munca de pipetare de extragere a ADN-ului mâner selectat din plăci cu mai multe godeuri și combinarea acestuia cu celelalte componente de ADN. „Acest lucru permite ca fabricarea megastructurilor încrucișate să fie în mare măsură automatizată, oarecum similar cu imprimarea 3D”, a explicat Katzmeier. „Obiectivul nostru a fost să ascundem cât mai mult posibil din complexitatea subiacentă fără a prelua controlul de la cercetător.”
Echipa a fabricat o galerie de megastructuri cu geometrii foarte diferite și încărcătură moleculară, care servesc drept dovadă tehnică și pot stimula creativitatea nanotehnologilor. Donald Ingber, director fondator al Institutului Wyss, a declarat că acest progres „nu numai că va permite altor oameni de știință să înceapă să exploreze utilizarea potențială a megastructurilor de ADN ca materiale pentru construcție, control și detectare moleculară, dar va oferi și o modalitate de a integra automatizarea și, eventual, inteligența artificială în proces.”
