Avanços em Nanopartículas de Prata e Origami de DNA Agilizam Montagem de DNA e Nanofabricação
Pesquisadores desenvolveram um método de emenda de DNA baseado em nanopartículas de prata que melhora a eficiência da montagem em duas a cinco vezes, e descobriram princípios de dobramento de origami de DNA que aumentam os rendimentos em até 17% com tempos de fabricação mais curtos.
Novas pesquisas estão avançando a montagem e a fabricação de estruturas de DNA, com cientistas no Japão desenvolvendo um método baseado em nanopartículas de prata para cortar e unir DNA e pesquisadores no Texas descobrindo princípios de design que tornam o origami de DNA mais confiável. A técnica japonesa melhora a eficiência da montagem de DNA em duas a cinco vezes e demonstrou funcionar em células vivas, enquanto as descobertas sobre origami de DNA podem tornar a produção de materiais em nanoescala mais rápida e fácil.
O método de emenda de DNA com nanopartículas de prata foi desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Nagoya e da Universidade de Gifu e publicado no periódico Nucleic Acids Research. A emenda tradicional de DNA depende de enzimas de restrição e extremidades coesivas, mas essas enzimas frequentemente carecem de precisão e produzem uniões que não são ideais. A equipe japonesa, em vez disso, utilizou reações químicas com nanopartículas de prata, com base em pesquisas da década de 1990 que usavam íons de prata para cortar DNA modificado com 3′-tiol, mas que alcançavam apenas 14% de recuperação devido à ligação inespecífica. Ao substituir íons por nanopartículas, os pesquisadores conseguiram remover a prata por centrifugação, melhorando muito a recuperação.
As tentativas iniciais enfrentaram outro obstáculo: alcançar alta eficiência de clivagem exigia temperaturas e durações que danificavam o DNA. A 70°C, o DNA alcançava apenas 50% de eficiência, e eram necessárias duas horas a 95°C para se aproximar de 100% de eficiência. Revestir as nanopartículas de prata com polietilenoglicol (PEG) aumentou a eficiência de 36% para 92% a 37°C em duas horas. Após a otimização, a equipe alcançou eficiência de clivagem acima de 91% a 50°C em uma a duas horas. A nova técnica melhora a eficiência da montagem de DNA em duas a cinco vezes. Os pesquisadores introduziram com sucesso um fragmento de DNA em células vivas, confirmando a expressão de um gene de proteína fluorescente verde. Seus próximos objetivos incluem verificar a reprodutibilidade em uma ampla gama de sequências, expandir para DNA mais longo, desenvolver protocolos em formato de kit e estender a técnica para montagem de DNA em escala genômica, bibliotecas de mRNA e DNA de cadeia longa que codifica proteínas terapêuticas.
Em um estudo separado publicado no periódico Small, pesquisadores da Universidade do Texas em Austin analisaram sistematicamente como as escolhas de design afetam o dobramento do origami de DNA, uma técnica que usa fitas de DNA para se automontarem em formas programáveis. Usando medições de fluorescência em tempo real, microscopia eletrônica e modelagem teórica, eles identificaram forças energéticas que determinam se uma estrutura se monta corretamente. O dobramento depende de um equilíbrio entre interações favoráveis de ligação do DNA e custos energéticos desfavoráveis associados à formação de alças. A equipe também descobriu que a "cooperatividade" — como diferentes partes da estrutura se influenciam durante a montagem — desempenha um papel central. Reduzir o número de conexões inter-helicoidais no design aumenta o comportamento cooperativo e melhora os rendimentos de dobramento, enquanto simplesmente fortalecer a ligação entre as fitas é menos eficaz porque introduz penalidades entrópicas.
Como parte do trabalho, os pesquisadores criaram o que acreditam ser o menor logotipo Longhorn já feito: uma estrutura inteiramente feita de DNA, com cerca de 100 nanômetros de diâmetro e 2 nanômetros de espessura. Ela é milhares de vezes menor que a espessura de um fio de cabelo humano, e aproximadamente 10 milhões de mini-Longhorns caberiam no volume de um grão de areia. A equipe também demonstrou uma melhoria prática: ao usar um processo de aquecimento e resfriamento mais curto e mais focado, com duração de uma a duas horas, em vez do processo tradicional que leva vários dias, eles aumentaram os rendimentos de montagem em até 17% e fabricaram milhões de cópias em menos de duas horas. As descobertas fornecem uma estrutura mais clara para projetar nanoestruturas de DNA com maior eficiência e confiabilidade, o que pode acelerar aplicações em medicina, eletrônica e ciência dos materiais.