Evoluzione “al velcro” per il DNA origami: con le nanostrutture programmabili progettate su misura nasce una nuova classe di nanomateriali

In un futuro non troppo lontano, la somministrazione dei farmaci potrebbe avvenire grazie a dei nanorobot capaci di rilasciare i medicamenti esattamente nel punto in cui sono necessari. Quel giorno, forse, esisteranno anche dei materiali capaci di alterare le loro caratteristiche strutturali in base alle condizioni ambientali e nanorobot autonomi in grado di viaggiare all’interno del corpo umano alla ricerca di obiettivi specifici come alcuni tumori.

Se tutto ciò oggi sembra decisamente possibile è grazie all’origami a DNA, una tecnica che permette di realizzare strutture nanorobotiche costituite da filamenti di DNA ripiegati a formare oggetti tridimensionali che possono essere utilizzati nelle più diverse applicazioni.

L’ultima interessante evoluzione su questo fronte arriva dall’Australia: i ricercatori dell’Università di Sydney hanno infatti utilizzato la tecnica dell’origami a DNA per costruire delle nanostrutture programmabili progettate su misura – una sorta di Meccano su scala nanometrica che promette di rivoluzionare il settore della robotica molecolare.

Origami a DNA: “È come usare il Meccano”

I nanorobot sviluppati dal team di Minh Luu e Shelley Wickham potrebbero essere utilizzati per distribuire farmaci antitumorali mirati, realizzare materiali futuristici in grado di reagire all’ambiente circostante e trovare impiego nell’elaborazione dei segnali a basso consumo energetico.

Per costruirli, i ricercatori del Nano Institute dell’Università di Sydney hanno utilizzato la tecnica dell’origami a DNA, che imitando l’arte giapponese di piegatura della carta modella singoli filamenti di DNA fino a ottenere forme bidimensionali e tridimensionali. Così facendo, i “mattoni della vita umana” possono essere utilizzati per creare strutture biologiche nuove e utili.

I ricercatori lo hanno dimostrato realizzando oltre 50 oggetti in nano-scala, tra cui un robot danzante e una navicella spaziale, ma anche nano-dinosauri e una sagoma dell’Australia larga 150 nanometri, mille volte più stretta di un capello umano.

La ricerca, pubblicata su Science Robotics, si concentra sulla creazione di voxel (l’equivalente tridimensionale del pixel) modulari di DNA piegato che possono essere assemblati in strutture tridimensionali complesse programmabili. Queste nanostrutture possono essere personalizzate per funzioni specifiche, consentendo una rapida prototipazione di diverse configurazioni.

“È un po’ come usare il Meccano, il giocattolo ingegneristico per bambini, o formare delle catene nel gioco del ripiglino. Invece di usare il metallo o le corde su macroscala, però, utilizziamo la biologia su scala nanometrica per costruire robot con un enorme potenziale”,

spiega la dottoressa Wickham.

Nanorobot modulari: filamenti di DNA come velcro

Per assemblare i voxel, il team ha incorporato ulteriori filamenti di DNA all’esterno delle nanostrutture, che poi agiscono come siti di legame programmabili. Come spiega il dottor Luu,

“Questi siti agiscono come un velcro di diversi colori, progettato in modo che solo i filamenti con ‘colori’ corrispondenti (in realtà, sequenze di DNA complementari) possano collegarsi”.

Questo approccio innovativo permette di controllare con precisione il modo in cui i voxel si legano gli uni agli altri, consentendo la creazione di architetture personalizzabili e altamente specifiche. Tale flessibilità è fondamentale per lo sviluppo di sistemi robotici su scala nanometrica in grado di svolgere compiti di biologia sintetica, nanomedicina e scienza dei materiali. Come spiega Luu,

“Abbiamo creato una nuova classe di nanomateriali con proprietà regolabili, che consentono diverse applicazioni – dai materiali adattivi che cambiano le proprietà ottiche in risposta all’ambiente ai nanorobot autonomi progettati per cercare e distruggere le cellule tumorali”.

Una delle applicazioni più interessanti di questa tecnologia è la possibilità di creare scatole robotiche su scala nanometrica in grado di somministrare farmaci direttamente in aree mirate del corpo.

Utilizzando l’origami a DNA, i ricercatori possono progettare questi nanorobot in modo che rispondano a specifici segnali biologici, assicurando che i farmaci vengano rilasciati solo quando e dove sono necessari. Questo approccio mirato potrebbe migliorare l’efficacia dei trattamenti contro il cancro, riducendo al minimo gli effetti collaterali. Ma le possibili applicazioni di questi nanobot programmabili non si fermano a questo.

Un “dinosauro” in nanoscala costruito con la nuova tecnica della Sydney University

Le applicazioni futuristiche dei nanobot a DNA

I ricercatori stanno esplorando diverse applicazioni per i nanorobot di DNA programmabili, tra cui lo sviluppo di nuovi materiali in grado di modificare le loro proprietà in risposta a stimoli ambientali: questi materiali, spiegano gli scienziati, potrebbero essere progettati per rispondere a carichi più elevati o per alterare le loro caratteristiche strutturali in base a variazioni di temperatura o di livelli di acidità (pH).

Ma si stanno anche studiando metodi più efficienti per l’elaborazione dei segnali ottici, che potrebbero portare a tecnologie più evolute nel campo della verifica delle immagini: sfruttando le proprietà uniche degli origami a DNA, questi sistemi potrebbero migliorare la velocità e l’accuratezza dell’elaborazione dei segnali ottici, aprendo la strada a tecniche più avanzate nella diagnostica medica o nella sicurezza.

“Questo lavoro ci permette di immaginare un mondo in cui i nanobot possono mettersi al lavoro per svolgere una vasta gamma di compiti, dalla cura del corpo umano alla costruzione di dispositivi elettronici futuristici”,

spiega la dottoressa Wickham.

“Il nostro lavoro dimostra l’incredibile potenziale degli origami a DNA per creare nanostrutture versatili e programmabili. La capacità di progettare e assemblare questi componenti apre nuove strade all’innovazione nelle nanotecnologie”,

conclude il dottor Luu.

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