Come molecole affollate assemblano gocce di DNA sintetico

Aumentare le temperature di condensazione con i polimeri

All'interno delle cellule viventi, proteine e acidi nucleici si raccolgono in compartimenti densi noti come condensati biomolecolari. Questi compartimenti si formano attraverso la separazione di fase liquido-liquido, ma riprodurli in soluzioni di laboratorio pure richiede spesso condizioni diverse dall'interno cellulare affollato. Per portare avanti questa innovazione biochimica, un gruppo di ricerca guidato dal professor Masahiro Takinoue dell'Institute of Science Tokyo ha progettato strutture ramificate sintetiche a forma di Y chiamate nanostelle di DNA, come riportato da Phys.org.

Le nanostelle si legano tra loro usando brevi sequenze complementari chiamate estremità adesive. Raffreddate da 85 °C senza additivi, le nanostelle si condensavano in gocce solo sotto i 63 °C. L'aggiunta di agenti affollanti ha cambiato questa soglia. Introducendo una concentrazione del 10% di polietilenglicole (PEG), le gocce si sono assemblate a 76 °C, mentre destrano e Ficoll hanno portato le temperature di assemblaggio rispettivamente a 65 °C e 67 °C. Il PEG ad alto peso molecolare di 7,5 kDa si è rivelato l'agente più efficace. Il PEG da solo non poteva innescare la condensazione: testato su nanostelle senza estremità adesive, non si formavano gocce.

«Questi risultati rivelano che l'affollamento macromolecolare non è solo una caratteristica dell'ambiente cellulare, ma serve anche come potente parametro di progettazione per ingegnerizzare condensati di DNA artificiali.»

— Masahiro Takinoue, professore all'Institute of Science Tokyo

Raggruppare le gocce senza fonderle

I ricercatori hanno anche verificato se l'affollamento potesse controllare il modo in cui gocce diverse si dispongono. Come dettagliato sulla rivista JACS Au e riportato da Phys.org, il team ha preparato due insiemi distinti di nanostelle le cui estremità adesive non potevano legarsi tra loro. In condizioni normali, queste popolazioni formavano gocce separate che restavano distanti e non si fondevano.

L'aggiunta di PEG ha modificato il loro comportamento spaziale. La pressione osmotica circostante portava le gocce dissimili a contatto diretto impedendo loro di fondersi in un'unica fase liquida. Regolando la concentrazione di PEG, il rapporto tra le nanostelle e la concentrazione salina nella soluzione, il team ha prodotto reti alternate. In ulteriori test, i ricercatori hanno disposto fino a tre tipi distinti di nanostelle di DNA in schemi ordinati.

Dai condensati molecolari alle macchine programmabili

Lo studio è stato condotto con lo studente laureato Naoki C. Yoshida di Science Tokyo, la dottoressa Mayu Shono dell'Università di Tokyo e il professor Kenichi Yoshikawa dell'Università Doshisha. Nel loro lavoro pubblicato, gli autori descrivono l'affollamento non solo come rumore di fondo all'interno di una cellula, ma come un parametro di controllo diretto per la biologia sintetica.

Sebbene gli articoli scientifici che dettagliano chimica fondamentale non sempre si traducano in un brevetto commerciale o in depositi immediati di proprietà intellettuale, i principi stabiliti da questa invenzione sintetica potrebbero guidare dispositivi pratici. Takinoue ha osservato che il metodo fornisce regole di progettazione per sviluppare tessuti cellulari artificiali, reti di comunicazione molecolare, sistemi di calcolo molecolare e micromacchine programmabili che operano attraverso l'auto-organizzazione guidata.

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