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DNA come Lego, per costruire i nanomateriali del futuro

di Redazione

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Immagina di poter costruire strutture complesse, come i cristalli, utilizzando le molecole di DNA come fossero mattoncini Lego o pezzi di un puzzle. È questa l’ultima frontiera della fisica, un campo di ricerca rivoluzionario con il potenziale di trasformare la nanotecnologia e aprire la strada a nuove applicazioni in campi come la fotonica e la nanoelettronica.

Al centro di questa rivoluzione c’è il DNA, una molecola versatile grazie alla sua struttura a doppia elica e alla complementarità delle sue quattro basi azotate. Attraverso un processo chiamato ‘autoassemblaggio’, le molecole di DNA possono spontaneamente organizzarsi in strutture complesse, seguendo regole precise dettate dalle interazioni tra le basi azotate. Tuttavia, controllare e guidare l’autoassemblaggio del DNA non è un’impresa facile. La sfida principale è quella di sintetizzare le giuste sequenze di DNA e di progettare la loro disposizione in modo da ottenere la struttura desiderata.

Un team di ricercatori internazionali, tra cui Lorenzo Rovigatti, Francesco Sciortino e John Russo del Dipartimento di Fisica della Sapienza Università di Roma, insieme ai colleghi della Ca’ Foscari, di Columbia e della Arizona State University, ha recentemente pubblicato su Science un nuovo metodo per affrontare questo problema.

Riprendendo l’esempio precedente, i mattoncini lego e i pezzi di un puzzle sono, in realtà, due processi alternativi e diversi di costruzione. I primi sono tutti simili tra loro e sono progettati in modo da potersi legare con qualsiasi altro mattoncino per creare infinite forme. I secondi, invece, sono tutti diversi e si legano solo al loro corrispondente, in una posizione ben precisa, per formare un disegno predefinito. La scelta degli scienziati sta nel mezzo: non mattoncini tutti uguali per avere infinite strutture, né pezzi tutti diversi per ottenere il risultato voluto, ma il numero minimo di elementi diversi per creare esattamente e solamente la conformazione cercata.

L’idea alla base del loro lavoro è quella di tradurre la struttura desiderata in un insieme di semplici clausole logiche. Queste clausole possono essere poi risolte matematicamente utilizzando un algoritmo chiamato “Soddisfacibilità booleana” (SAT). Il SAT è un potente strumento utilizzato in informatica per risolvere problemi di ottimizzazione. In questo caso, viene utilizzato per identificare la sequenza di DNA minima necessaria per ottenere la struttura desiderata.

Per dimostrare la validità del loro metodo, i ricercatori hanno utilizzato il SAT per progettare e realizzare sperimentalmente un cristallo di pirocloro, un materiale con interessanti proprietà fotoniche su scala nanometrica. Il pirocloro è un cristallo che non esiste in natura ed era considerato impossibile da realizzare sperimentalmente. I ricercatori sono riusciti a sintetizzare il pirocloro utilizzando particelle di DNA origami, ovvero molecole di DNA piegate in forme tridimensionali complesse. Il risultato ottenuto dimostra che il metodo SAT è in grado di guidare l’autoassemblaggio del DNA con assoluta precisione.

“Questo lavoro apre nuove prospettive per la progettazione di nanomateriali”, ha dichiarato John Russo, uno dei ricercatori. “Grazie al SAT, possiamo ora costruire strutture composte da miliardi di componenti disposti con assoluta precisione. Questo potrebbe portare a nuove applicazioni in campi come la fotonica e la nanoelettronica”.

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Aggiornato il 06/04/2024

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