Origami de DNA

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Felipe Picard - 17/07/21

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Nano

Formas geométricas feitas com DNA. Imagem retirada do artigo "Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns", publicado por Paul Rothemund em 2006 na revista Nature.

Embora comumente associado à genética, o Ácido desoxirribonucleico (DNA) também apresenta potencial para formar nanoestruturas com funções diversas. A alta especificidade do DNA, por conta de sua sequência extremamente específica de bases nitrogenadas, torna possível a sua manipulação através da criação de fitas de DNA complementares a uma fita simples de sequência conhecida. Essas fitas complementares, por sua vez, promovem dobras na estrutura das fitas. Como a molécula de DNA apresenta cerca de 2 nanômetros de diâmetro, é possível utilizar estas dobras para formar estruturas nanométricas com altíssimo nível de detalhe.

Nadrian Seeman foi pioneiro neste campo e propôs em 1982 o uso de junções entre duas fitas duplas de DNA, como as junções de Holliday – presentes em algumas etapas da recombinação genética – para formar estruturas maiores. Na época, já era sabido que, em uma fita dupla de DNA, a extremidade de uma das fitas prolonga-se um pouco mais do que a outra, então uma fita complementar podia ligar-se à essa extremidade (como pedaços de velcro), prolongando a fita de DNA. Todavia, isso prolongava uma estrutura unidimensional, basicamente aumentando a extensão de um segmento de reta. Para que uma estrutura mais útil pudesse ser formada, era necessário que ela tivesse pelo menos duas dimensões, como as junções de Holliday, conforme proposto por Seeman.

Com isso, os primeiros usos de DNA para a confecção de nanoestruturas utilizavam-se de pequenas estruturas de DNA que se conectavam, como pequenos blocos de construção, e assim formavam algo maior. Contudo, tais métodos eram incapazes de gerar figuras complexas com altos rendimentos– o rendimento de um prisma de DNA com base pentagonal, por exemplo, foi de 4,2% (TAKADUMA et al., 2016) – por conta de erros atrelados ao elevado número de interações entre os “blocos de DNA”.

Entretanto, as perspectivas das pesquisas com nanoestruturas de DNA mudaram drasticamente no ano de 2006, quando Rothemund (2006) publicou um artigo empregando uma nova técnica para formar as estruturas com material genético. Denominada “origami de DNA”, a nova abordagem dobrava uma única fita longa de DNA várias vezes até que a forma desejada fosse obtida, de forma análoga ao que é feito com papel na técnica clássica de origami.

Diferentemente de suas antecessoras, a nova técnica contava com o uso de uma longa fita simples de DNA, extraída do bacteriófago M13mp18, cujo genoma é naturalmente uma fita simples e maleável de DNA com aproximadamente 7000 nucleotídeos. A fita pode então ser moldada em diversas formas rígidas com o auxílio de pequenas sequências de DNA complementares a certas regiões do genoma do bacteriófago, meticulosamente elaboradas de acordo com o padrão desejado, chamadas de grampos (“staples”). A estrutura final é formada por uma longa fita dupla de DNA que preenche toda a área da figura. Como todo o processo ocorre em uma mesma fita, erros são minimizados, possibilitando a formação de estruturas mais elaboradas e com rendimentos superiores àqueles obtidos pelas técnicas mais antigas (entre 70 e 90% dependendo da estrutura). Como prova de conceito, Rothemund elaborou e analisou por microscopia de força atômica (AFM) uma série de figuras feitas de material genético, dentre as quais está a icônica carinha sorridente que tanto cativa o interesse daqueles que estudam esta técnica. Algumas das imagens feitas estão presentes na capa deste artigo.

Na época que foi inventado, a forma de criar um origami de DNA envolvia 5 etapas, das quais as três iniciais eram feitas por um humano, seguindo uma série de “regras” para formar a figura desejada enquanto as duas últimas eram feitas por um computador, que definia a sequência dos grampos e otimizava alguns parâmetros.

Uma vez que a estrutura está elaborada e se tem os grampos em mãos, eles são misturados com a fita longa do bacteriófago em uma proporção de 100:1. O sistema é então lentamente resfriado de 95°C para 20°C ao decorrer de duas horas. Com isso o processo de criação dos origamis de DNA está completo. Para a caracterização das estruturas, as amostras são depositadas em mica, que faz com que apenas as estruturas maiores fiquem presas à superfície, enquanto o restante de fitas permaneça em solução e é então realizada uma microscopia de força atômica para avaliar os resultados.

Embora interessante, esta maneira de gerar os origamis de DNA se limitava a estruturas bidimensionais e exigia bastante raciocínio para que se pudesse pensar em uma estrutura para que apenas ao final um computador pudesse auxiliar o cientista. Abordagens mais recentes, como a proposta por Jun e colaboradores (2019) e programas como o caDNAno, criado por Douglas e colaboradores (2009), solucionam esses problemas, trazendo programas de computador capazes não apenas de criar um modelo otimizado das dobras de DNA a partir de uma imagem, mas também de gerar origamis tridimensionais, com eixos de DNA e estruturas mais complexas.

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Modelos e microscopias de tunelamento de estruturas 3D feitas no caDNAno

Além disso, a adição ou remoção de bases nitrogenadas tanto das fitas complementares como da “fita mãe” pode gerar curvas e dobradiças nas fitas de DNA. Além disso, diversos materiais – como nanopartículas e proteínas– podem ser acoplados a origamis de DNA através de ligações covalentes e/ou não-covalentes, em um processo chamado funcionalização, sendo possível adicionar essa partícula em qualquer região do origami, simplesmente selecionando a sequência de DNA que será funcionalizada de forma que ela seja complementar à região de interesse.

Origamis de DNA se aproveitam das propriedades físicas e químicas naturais do DNA como rigidez, resistência química e biocompatibilidade. Além disso, tira-se proveito do pareamento previsível de Watson e Crick, que possibilita a formação de estruturas extremamente precisas, específicas e auto-montantes com dimensões nanométricas e de forma mais rápida que as demais técnicas de nano-construção.

Tal tecnologia tem principalmente aplicações estruturais e/ou dinâmicas. Em aplicações estruturais, o controle preciso das dimensões dos objetos formados e a especificidade das fitas de DNA possibilita, por exemplo, que uma série de estudos sobre interações moleculares na matriz de DNA seja realizada (RINKER et al., 2008). Essa especificidade também pode ser usada para identificar e englobar estruturas “grandes” como capsídeos de vírus e modificar sua superfície adicionando pequenas enzimas ou fármacos para que elas sejam levadas ao alvo do vírus (STEPHANOPOULOS et al., 2010). Estruturas de DNA podem ser recobertas por materiais metálicos, podendo ser usadas na confecção de nanocircuitos (LI et al., 2011).

As aplicações dinâmicas fazem uso de estruturas móveis de DNA, como os eixos e dobradiças mencionadas anteriormente. Por exemplo, caixas com tampas, em dimensões nanométricas, podem ser feitas com origamis de DNA, de forma que ligantes as mantenham fechadas até que determinado substrato esteja presente. Com isso, esses objetos podem ter aplicação clínica, transportando fármacos ou outros tipos de carga para regiões específicas do corpo para o tratamento de doenças (ANDERSEN et al., 2009; GROSSI et al., 2017).

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Caixa com ligantes na tampa para transporte de fármacos

Objetos dinâmicos também podem ser usados para fazer nanorobôs. Kopperger e colaboradores (2018) fizeram um braço robótico nanométrico montado sobre uma base, ambos feitos com origamis de DNA, capaz de movimentar carga e ser controlado por campos elétricos e apresenta velocidades cinco ordens de magnitude superiores às de motores de DNA de estudos anteriores.

Levando em consideração o fato de que a técnica de origamis de DNA só surgiu em 2006, é de se esperar que muitas descobertas acerca dela ainda estejam sendo realizadas. Por conta disso, ainda não existem produtos comerciais que empregam tal tecnologia. Além disso, o processo tem suas desvantagens, como alto custo, elaboração complexa das estruturas e rendimento não muito alto.

Contudo, existe um número crescente de artigos envolvendo origamis de DNA e a versatilidade da técnica e do material utilizado possibilita a criação de tecnologias inovadoras, que garantem aos origamis de DNA um futuro promissor.

Leitores interessados são encorajados a lerem o artigo de 2006 escrito por Paul Rothemund (primeira referência deste artigo) e assistirem sua palestra de 2007, "Paul Rothemund explica como se dobra DNA".


Referências

SEEMAN, N. C., Nucleic acid junctions and lattices. Journal of theoretical biology 99, 1982, p. 237– 247.

DOUGLAS, S., DIETZ, H., LIEDL, T. et al., Self-assembly of DNA into nanoscale three-dimensional shapes. Nature 459, 2009, p. 414–418.

TADAKUMA, H., MASUBUCHI, T., UEDA, T., Nanotechnology tools for the study of RNA. Progress in Molecular Biology and Translational Science 139, 2016, p. 121-163.

CLARK, D. P., PAZDERNIK, N. J., Biotechnology (second edition). Elsevier, 2016, p. 219-248.

JUN, H., ZHANG, F., et al., Autonomously designed 2D free-form DNA origami. Science Advances 5, 2019, p. 1-8.

WAGENBAUER, F. K., ENGELHARDT, F. A. S., et al., How we make DNA origami. ChemBioChem 18, 2017, p. 1873-1885.

RINKER, S., KE, Y., LIU, Y., CHHABRA, R., YAN, H., Self-assembled DNA nanostructures for distance-dependent multivalent ligand-protein binding. Nature Nanotechnology 3, 2008, p. 418-422.

STEPHANOPOULOS, N., LIU, M., et al., Immobilization and one-dimensional arrangement of virus capsids with nanoscale precision using DNA origami. Nano Letter 10, 2010, p. 2714-2720.

LIU, J., GENG, Y., et al., Metallization of Branched DNA Origami for Nanoelectronic circuit fabrication. American Chemical Society NANO 5, 2011, p. 2240-2247.

ANDERSEN, E., DONG, M., NIELSEN, M. et al., Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid. Nature 459, 2009, p. 73–76.

GROSSI, G., JEPSEN, M. D. E., KJERMS, J., ANDERSEN, E., Control of enzyme reactions by a reconfigurable DNA nanovault. Nature Communication 8, 992, 2017, p. 1-8.

KOPPERGER, E., LIST, J., MADHIRA, S., et al., A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields. Science 359, 2018, p. 296-301.

LI, S., JIANG, Q., LIU, S. et al. A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo. Nature Biotechnology 36, 2018, p. 258–264.

TED apresentado por Paul Rothemund em 2007: Paul Rothemund explica como se dobra DNA


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