Maravilhe-se com as minúsculas estruturas em nanoescala que surgem dos laboratórios de pesquisa da Duke University e da Arizona State University, e é fácil imaginar que você está navegando em um catálogo da menor cerâmica do mundo.

Um novo artigo revela algumas das criações das equipes: pequenos vasos, tigelas e esferas ocas, um escondido dentro do outro, como utensílios domésticos para uma boneca russa.

Mas, em vez de fazê-los de madeira ou argila, os pesquisadores projetaram esses objetos a partir de moléculas de DNA semelhantes a fios, dobradas e dobradas em objetos tridimensionais complexos com precisão nanométrica.

Essas criações demonstram as possibilidades de um novo programa de software de código aberto desenvolvido por Duke Ph.D. estudante Dan Fu com seu conselheiro John Reif. Descrito em 23 de dezembro na revista Science Advances , o software permite que os usuários façam desenhos ou modelos digitais de formas arredondadas e os transformem em estruturas 3D feitas de DNA.

As nanoestruturas de DNA foram montadas e fotografadas pelos coautores Raghu Pradeep Narayanan e Abhay Prasad no laboratório do professor Hao Yan no estado do Arizona. Cada pequeno objeto oco não tem mais do que dois milionésimos de polegada de diâmetro. Mais de 50.000 deles caberiam na cabeça de um alfinete.

Mas os pesquisadores dizem que são mais do que meras nanoesculturas. O software pode permitir que os pesquisadores criem recipientes minúsculos para entregar medicamentos ou moldes para moldar nanopartículas metálicas com formas específicas para células solares , imagens médicas e outras aplicações.

Para a maioria das pessoas, o DNA é o projeto da vida; as instruções genéticas para todos os seres vivos, de pinguins a choupos. Mas, para equipes como a de Reif e Yan, o DNA é mais do que um portador de informações genéticas - é o código-fonte e o material de construção.

Existem quatro "letras" ou bases no código genético do DNA, que se combinam de maneira previsível em nossas células para formar os degraus da escada do DNA. São essas propriedades estritas de pareamento de bases do DNA – A com T e C com G – que os pesquisadores cooptaram. Ao projetar cadeias de DNA com sequências específicas, eles podem "programar" as cadeias para se juntarem em diferentes formas.

O método envolve dobrar um ou alguns pedaços longos de DNA de fita simples, com milhares de bases de comprimento, com a ajuda de algumas centenas de fitas curtas de DNA que se ligam a sequências complementares nas fitas longas e as "grampeiam" no lugar.

Os pesquisadores têm experimentado o DNA como material de construção desde a década de 1980. As primeiras formas 3D eram cubos simples, pirâmides, bolas de futebol - formas geométricas com superfícies grossas e em blocos. Mas projetar estruturas com superfícies curvas mais parecidas com as encontradas na natureza tem sido complicado. O objetivo da equipe é expandir a gama de formas possíveis com esse método.

Para fazer isso, Fu desenvolveu um software chamado DNAxiS . O software depende de uma maneira de construir com DNA descrito em 2011 por Yan, que fez pós-doutorado com Reif na Duke há 20 anos antes de ingressar no corpo docente da Arizona State. Ele funciona enrolando uma longa hélice dupla de DNA em anéis concêntricos que se empilham para formar os contornos do objeto, como usar bobinas de argila para fazer um pote. Para tornar as estruturas mais fortes, a equipe também tornou possível reforçá-las com camadas adicionais para maior estabilidade.

Fu mostra a variedade de formas que eles podem fazer: cones, cabaças, formas de folhas de trevo. DNAxiS é a primeira ferramenta de software que permite aos usuários projetar tais formas automaticamente, usando algoritmos para determinar onde colocar os "grampos" curtos de DNA para unir os anéis de DNA mais longos e manter a forma no lugar.

"Se houver muito poucos, ou se estiverem na posição errada, a estrutura não se formará corretamente", disse Fu. "Antes do nosso software, a curvatura das formas tornava esse problema especialmente difícil."

Dado um modelo de forma de cogumelo, por exemplo, o computador cospe uma lista de filamentos de DNA que se auto-montariam na configuração correta. Uma vez que os filamentos são sintetizados e misturados em um tubo de ensaio , o resto se resolve sozinho: ao aquecer e resfriar a mistura de DNA, em menos de 12 horas "ela meio que se dobra magicamente na nanoestrutura do DNA", disse Reif.

As aplicações práticas de seu software de design de DNA no laboratório ou na clínica ainda podem levar anos, disseram os pesquisadores. Mas "é um grande passo em termos de design automatizado de novas estruturas tridimensionais", disse Reif.