Origami molecolari

Con la millenaria arte giapponese degli origami, si creano figure delle più diverse forme, ammirevoli e complesse, usando un singolo foglio di carta, che viene piegato con una sequenza di pieghe di diversa direzione e lunghezza, ben definita e da eseguire con estrema precisione.

Filamenti di singola elica di DNA si possono piegare e tagliare in punti specifici, così da comporre strutture desiderate a scala nanometrica. Per farlo si calcola la sequenza di basi necessaria, esistendo le tecniche per produrre i filamenti corrispondenti. La specificità dell’interazione tra basi complementari permette poi di tagliare il DNA nei punti voluti e di piegarlo come stabilito. I filamenti, immersi in opportuna soluzione, si mettono assieme da soli, controllando la temperatura, a formare l’origami finale. Il metodo degli "origami di DNA" fu inventato da P. Rothemnd nel 2006. Il DNA diveniva così, oltre che materiale genetico, un potente elemento per creare nuove strutture, delle più diverse forme, tutte fatte di null’altro che di DNA.

"There's plenty of room at the bottom" era stato il titolo, ben noto, di una conferenza di Richard Feynman al congresso dell'American Physical Society il 29 dicembre 1959 a Caltech, in cui il grande fisico (il Premio Nobel verrà nel '65) indicava un nuovo campo di ricerca. Il sottotitolo era infatti "An invitation to enter a new field of physics". Tra l'altro, discusse la possibilità di costruire macchine e motori sempre più piccoli. Si sarebbe potuto scendere la scala delle dimensioni, sviluppando robot un quarto più piccoli dello stato dell'arte, per usarli per farne di quattro volte ancora più piccoli, e così via. Lo sviluppo delle nanotecnologie non seguirà questa via meccanica, dovrà attendere gli anni 1980, ma da allora sarà travolgente.

"There's even more room at the top" gli aveva fatto eco nel 1995 Jean-Marie Lehn (Premio Nobel per la chimica nel 1987). Egli indicava come costruire dispositivi alla scala dei nanometri partendo dal basso, nelle dimensioni, invece che dall’alto. Mise in luce come si possa sfruttare la capacità di alcune molecole biologiche di auto-organizzarsi in strutture "supramolecolari", nelle quali il legame tra le molecole, meccanico piuttosto che covalente, avviene in siti ben determinati.

A sinistra, illustrazione schematica del setup sperimentale per l'osservazione della dinamica motoria in un microscopio TIRF invertito. Il piedistallo è fissato a un vetrino coprioggetto del microscopio tramite diversi legami biotina-neutravidina. A destra, due elettrodi di platino sono immersi nella camera liquida dall'alto e collegati a un generatore di funzioni che genera una corrente alternata a onda quadra per creare una modulazione energetica ad asse fisso che agisce su tutti i motori. / Left, schematic illustration of the experimental setup for observing motor dynamics in an inverted TIRF microscope. The pedestal is fixed through several biotin–neutravidin linkages to a microscope coverslip. Right, two platinum electrodes are immersed in the liquid chamber from above and connected to a function generator generating a square-wave alternating current to create a fixed-axis energetic modulation that acts on all motors. (Pumm, AK., Engelen, W., Kopperger, E. et al. A DNA origami rotary ratchet motor. Nature 607, 492–498 (2022). DOI 10.1038/s41586-022-04910-y).

Motori a scala nanometrica, sono stati realizzati dalla fine degli anni '90 tramite sintesi molecolare, anche in Italia da V. Balzani e collaboratori. Il Premio Nobel per la chimica nel 2016 fu assegnato a Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart e Bernard L. Feringa "for the design and synthesis of molecular machines".

Anna-Katharina Pumm et al. della TUM hanno ora sviluppato la tecnica degli origami di DNA per costruire non una struttura statica, ma un motore. Questo è composto di tre parti: un "piedestallo", alto 40 nm e largo 30 nm, fissato a una piastrina di vetro con legame chimico; una "piattaforma" triangolare che aggancia il piedestallo al "rotore", che è un braccio abbastanza lungo, 500 nm, da poterne osservare agevolmente il moto. Si comporta come un corpo rigido con una certa elasticità. La piattaforma ha su ciascun lato del triangolo un ostacolo. Per superarli, il braccio rotante deve piegarsi e rallentare un po'. L’osservazione delle tre flessioni permette di confermare le caratteristiche del moto.

L'energia viene fornita applicando alla soluzione, nella quale il dispositivo è immerso, una differenza di potenziale alternata, e dissipata dalla viscosità della soluzione. Il campo elettrico definisce una direzione. Velocità angolare e direzione della rotazione sono controllate dalla frequenza e ampiezza della ddp. Il moto ordinato è ben distinto dal moto browniano, naturalmente presente a queste scale.

Come ulteriore prova, gli autori hanno realizzato una molla a torsione fatta di un singolo anello di singola elica di DNA e ne hanno collegando un estremo al piedestallo e l'altro al braccio rotante. Avviato il motore, la rotazione si è fermata quando la coppia elastica era pari a quella del motore; spento il motore, il braccio ruotava in verso opposto.

Gli autori concludono che con velocità angolari fino a 250 rivoluzioni al minuto e coppie sino a 10 pN nm, i loro motori raggiungono valori che si avvicinano a quelli noti delle potenti macchine molecolari naturali, come nella sintasi dell'ATP.

Per saperne di più

Molecular origami

With the millenary Japanese art of origami, figures of the most different shapes, admirable and complex, are created. One uses a single sheet of paper, which is folded with a sequence of folds of different direction and length, well defined and to be done with extreme precision. Single DNA strands can be folded and cut at specific points, thus composing desired structures at the nanoscale. To do this, the proper sequence of bases is calculated, and techniques are available for producing the corresponding filaments. The specificity of the interaction between complementary bases allows the DNA to be cut at the desired points and folded as established. The filaments, immersed in a suitable solution, assemble by themselves, controlling the temperature, to form the final origami. The “DNA origami” method was invented by P. Rothemnd in 2006. DNA thus became, in addition to genetic material, a powerful element for creating new structures, of the most diverse forms, all made of nothing but DNA.

"There's plenty of room at the bottom" was the well-known title of a lecture delivered by Richard Feynman at the American Physical Society meeting on December 29, 1959 at Caltech, in which the great physicist (the Nobel Prize will come in '65) proposed a new field of research. The subtitle was in fact "An invitation to enter a new field of physics". Among other issues, he discussed the building of ever smaller machines and engines. We could go down the scale of size, developing robots one quarter smaller than the state of the art, and use them to make other ones four times smaller, and so on. The development of nanotechnologies will not follow this mechanical path, it will have to wait until the 1980s, but since then it will be overwhelming.

"There's even more room at the top" had been echoed in 1995 by Jean-Marie Lehn (Nobel Prize for Chemistry in 1987). He indicated how to build nanometre-scale devices starting from the bottom, in size, instead of from the top. He highlighted how the ability of some biological molecules to self-organize into "supramolecular" structures can be exploited, in which the bond between molecules, mechanical rather than covalent, occurs at well-defined sites.

The energy is supplied to the device by applying to the solution, in which it is immersed, an alternating potential difference, and dissipated by the viscosity of the solution. Angular velocity and direction of rotation are controlled by the frequency and amplitude of the potential difference. The ordered motion is quite distinct from Brownian motion, which is naturally present at these scales.

Nano-scale engines have been made since the late 90s through molecular synthesis, also in Italy by V. Balzani and collaborators. The Nobel Prize for Chemistry was awarded in 2016 to Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart and Bernard L. Feringa "for the design and synthesis of molecular machines".

Anna-Katharina Pumm et al. of TUM have now developed the DNA origami technique to build not a static structure, but an engine. The motor is made up of three parts: a "pedestal", 40 nm high and 30 nm wide, fixed with a chemical bond to a glass plate; a triangular "platform" that hooks the pedestal to the "rotor". This is an arm, 500 nm long, enough to easily observe its motion. It behaves like a rigid bar with some elasticity. The platform has an obstacle on each side of the triangle. To overcome them, the rotating arm must bend and slow down a little. The observation of the three bends allows to confirm the properties the motion.

The energy is supplied by applying to the solution, in which the device is immersed, an alternating potential difference, and dissipated by the viscosity of the solution. The electric field defines a direction. Angular velocity and direction of rotation are controlled by the frequency and amplitude of the potential difference. Orderly motion is quite distinct from Brownian motion, which is naturally present at these scales.

To have further evidence, the authors created a torsion spring made of a single ring of a single helix of DNA and connected one end to the pedestal and the other to the rotating arm. When the engine was started, rotation stopped when the elastic torque was equal to that of the engine; when the engine was switched off, the arm rotated in the opposite direction.

The authors conclude that, with angular speeds up to 250 revolutions per minute and torques up to 10 pN nm, the motors achieve rotational speeds and torques that are approaching those known from powerful natural molecular machines, such as the ATP synthase.

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