Nanomeccanismi basati sul DNA e suoi analoghi strutturali coniugato a nanoparticelle magnetiche: progettazione sintesi e controllo.

Il DNA, più delle proteine, sembra essere il biomateriale adatto per la costruzione di nanostrutture ordinate, infatti, oltre ad avere una maggiore semplicità strutturale ed una buona stabilità fisico-chimica, ha sicuramente una enorme specificità nel legare altre molecole di DNA ed anche proteine. Variando la sequenza di basi nei filamenti di DNA è possibile realizzare, ad esempio, strutture a doppia, tripla e quadrupla elica, DNA ramificati, strutture cruciformi e strutture supramolecolari ordinate di vario tipo tra cui le “G-wires”. Inoltre, tutte le strutturazioni del DNA reagiscono a stimoli esterni quali la variazione di pH, sali, etc., modificandosi in maniera specifica nella struttura. Queste proprietà del DNA hanno suggerito la sua utilizzazione per la costruzione di nanomeccanismi (“DNA-devices”) ed in prospettiva di nanomotori molecolari. Un nano-meccanismo molecolare è una struttura, con dimensioni nell’ordine dei nanometri, capace di compiere movimenti controllati nella stessa scala dimensionale. Le possibili applicazioni di nano-meccanismi a base di DNA possono riguardare, ad esempio, il controllo di una attività enzimatica, l’apertura e la chiusura di canali molecolari, la variazione delle proprietà chimico-fisiche di una superficie e il posizionamento specifico di nano-particelle in nano-strutture più complesse. In genere un nano-meccanismo a base di DNA è ottenuto sfruttando i suoi cambi conformazionali che possono essere indotti da variazioni delle condizioni ambientali-sperimentali o dall’aggiunta di altro DNA, definito “DNA fuel” che inducendo variazioni nell’appaiamento dei filamenti porta ad un cambiamento controllato delle strutture. Il cambio conformazionale diviene reversibile per aggiunta di altro DNA definito “anti-fuel”, che sequestra il “DNA fuel”. Uno dei problemi cruciali da risolvere riguarda l’elevazione del numero dei cicli del movimento (fin ora solo alcune decine), infatti, l’approccio chimico, in ragione delle aggiunte ripetute di “fuel” e “anti-fuel” tende ad “avvelenare” l’ambiente-soluzione portando allo spegnimento del movimento. Un metodo che utilizzi una radiazione elettromagnetica (REM) per controllare una transizione strutturazione-destrutturazione del DNA risolverebbe sicuramente questo problema. Per rendere il DNA “sensibile” ad una variazione elettromagnetica risulta necessario coniugarlo ad un materiale mediatore che interagisca con radiofrequenze e/o campi elettrici/magnetici. Oggi questi materiali compositi, sono estremamente promettenti perché riuniscono alcune delle proprietà dei metalli con molte delle proprietà del DNA. Diversi lavori recenti descrivono applicazioni di ibridi ON-nano-particelle magnetiche che spaziano sia nel campo della diagnostica (array di DNA legati a microchips) che in quello nano-strutturale. In un recente lavoro, alquanto controverso, ma senza dubbio estremamente interessante, viene riportata la capacità di un DNA “duplex”, coniugato ad una nano-particella d’oro, di assorbire energia da una REM, realizzando un ciclo di denaturazione-rinaturazione controllabile in remoto in ragione della accensione o spegnimento della REM. Nell’ambito di tali tematica si inserisce questo progetto di ricerca che intende utilizzare la decennale esperienza dei suoi partecipanti, nel campo della sintesi e della caratterizzazione strutturale di ON naturali e/o modificati, per la costruzione di coniugati a nanomag di opportune dimensioni e proprietà magnetiche (monodominio). La progettazione, le proprietà di questi ibridi e le loro utilizzazioni nella costruzione di nano-meccanismi controllabili in remoto, saranno studiate in stretta collaborazione con l’altra unità operative di ricerca (UOR, di Napoli) che possiede una pluriennalie e consolidata esperienza nei settori dei campi elettromagnetici e delle loro interazioni con la materia. Dalla stretta collaborazione tra le due UOR di Napoli si otterranno utili informazioni sia sulla progettazione della struttura degli ON-nanomag e del nanomeccanismo che si vuole realizzare. In Particolare il programma della nostra unità si svilupperà trattando i seguenti punti: 1. Identificazione di tipologie di ON sia a singolo filamento che formanti strutture duplex e quadruplex con opportuna stabilità strutturale atti a formare parti di nanomeccanismi 2. Progettazione degli ibridi ON-nanomag e del nanomeccanismo di cui faranno parte (in collaborazione con l’altra UOR di Napoli) 3. Sintesi degli ibridi ON-nanomag e loro caratterizzazione chimica-fisica, (in collaborazione con l’altra UOR di Napoli). 4. Esperimenti di cicli ripetitivi di cambio conformazionale della nanostruttura costruita da sotto controllo elettromagnetico (in collaborazione con l’altra UOR di Napoli). 5. In base ai risultati del punto 4. si deciderà di sintetizzare altri ibridi ON-nanomag e/o eventualmente di riprogettarne la struttura ripetendo gli esperimenti al punto 4 allo scopo di ottimizzare i processi.