No mundo das biomoléculas, nada é mais icônico, nem mais versátil, do que o DNA. A natureza usa a famosa dupla hélice para armazenar as plantas de todas as formas vivas, com base em um alfabeto de quatro letras de nucleotídeos.

Pesquisadores no campo da nanotecnologia de DNA se inspiraram na variedade aparentemente inesgotável de formas de vida que a natureza formou a partir dessa matéria-prima genética. O campo procura emular o empreendimento criativo da natureza e até mesmo estender as possibilidades da arquitetura do DNA além do que a natureza criou.

Em um novo estudo, Hao Yan e seus colegas Nicholas Stephanopoulos e Petr Sulc, exploram um bloco de construção básico usado na fabricação de muitas nanoformas de DNA. Conhecido como uma junção de Holliday, esse nexo de dois segmentos de DNA de fita dupla foi usado para formar redes cristalinas elaboradas e automontáveis ??na escala nanométrica (ou aproximadamente 1/75.000 da largura de um cabelo humano).

As estruturas levam o nome do biólogo molecular Robin Holliday, que propôs sua existência pela primeira vez em 1964. As junções Holliday desempenham um papel essencial na natureza, onde estão envolvidas em um processo conhecido como recombinação homóloga , uma força motriz na geração de novas variações genéticas em seres vivos. coisas.

Desde o início da nanotecnologia de DNA, o campo fez avanços notáveis, usando componentes de DNA para projetar pequenas estruturas de beleza intrincada, bem como dispositivos em nanoescala cujas aplicações tocam em campos tão variados quanto fotônica, armazenamento de computador, biossensor e regeneração de tecidos.

Yan tem estado na vanguarda das rápidas transformações do campo, projetando uma infinidade de formas nanoarquitetônicas úteis, desde nanorobôs e aranhas de DNA até dispositivos de busca e destruição de combate ao câncer.

O novo estudo usa técnicas de cristalografia para descrever as características de 36 variantes básicas da junção Holliday. Os resultados mostram que a eficácia de uma determinada junção Holliday para a construção de nanoarquiteturas cristalinas é sensivelmente dependente não apenas do arranjo dos quatro pares de nucleotídeos que formam a junção, mas também das sequências que formam os quatro braços salientes da junção. Algumas sequências de DNA atuam para melhorar o processo de cristalização dessas formas, enquanto seis das 36 variantes de junção Holliday foram consideradas "fatais" devido à sua incapacidade de formar cristais.

Yan dirige o Centro de Biodesign para Design Molecular e Biomimética e detém a cátedra Milton D. Glick Distinguished Professorship na Escola de Ciências Moleculares da ASU. Stephanopoulos e Sulc também são membros do corpo docente do centro e da escola.

Os resultados da pesquisa, que representam o primeiro estudo sistemático de junções Holliday, apareceram recentemente na revista Nature Communications .

O DNA prova ser um material ideal para projetar e fabricar estruturas em nanoescala. A natureza consistente e previsível do emparelhamento de bases entre os quatro nucleotídeos do DNA garante que as formas adequadamente projetadas se auto-montem de forma confiável nas estruturas desejadas. Para este fim, várias nanoformas elaboradas foram construídas usando blocos de construção de DNA fundamentais, sendo um dos mais populares e úteis a junção de Holliday. Cristais de DNA compostos de unidades estruturais repetidas são ingredientes-chave para aplicações de nanotecnologia, permitindo recursos de design versáteis e escaláveis.

As junções de Holliday são observadas na natureza como um estágio intermediário durante o processo de meiose celular. O resultado dessa transformação é uma troca de genes entre os cromossomos maternos e paternos. Esse processo, conhecido como recombinação homóloga, ocorre em quatro etapas. (Veja a ilustração acima.)

Primeiro, um par de hélices de DNA de fita dupla ficam lado a lado. Uma enzima conhecida como endonuclease causa uma quebra de fita simples em cada uma das duas fitas duplas. A próxima etapa, conhecida como invasão de fita, ocorre quando as extremidades livres de cada quebra de fita simples se unem, fazendo com que as fitas duplas originalmente separadas sejam entrelaçadas.

Essa estrutura em forma de cruz, que une as duas fitas duplas separadas de DNA, é a junção de Holliday. Em processos biológicos , a junção é então "resolvida" quando outra enzima corta a junção Holliday de duas maneiras, ambas resultando em duas fitas de DNA separadas, que diferem das fitas originais porque a junção Holliday introduziu novos segmentos de DNA nas duas fitas. dupla fita de DNA.

Esta forma de recombinação de DNA é um evento biológico universal de grande importância. Ele atua simultaneamente para preservar a integridade do genoma por meio de mecanismos de reparo do DNA enquanto gera uma nova variabilidade, sem a qual, os organismos logo chegariam a um beco sem saída evolutivo. A estrutura chave no embaralhamento do deck de DNA durante a divisão celular é a junção Holliday.

Mais tarde, observou-se que o motivo da junção Holliday poderia ser usado como um poderoso bloco de construção para uma multiplicidade de estruturas artificiais de DNA. Embora as junções de Holliday que ocorrem durante a divisão celular possam deslizar ao longo do comprimento do DNA, em um processo conhecido como migração de ramificação, as junções usadas para construir as nanoestruturas de DNA são imobilizadas porque as sequências que as flanqueiam não são complementares.

"A primeira junção Holliday imóvel foi descrita em 1982, e essa sequência desde então tem sido usada exclusivamente na automontagem de cristais de DNA", disse Chad Simmons, primeiro autor do artigo e principal cientista que aplica cristalografia de raios-X para este estudo. "Nosso trabalho procurou mudar esse paradigma sondando as outras 35 possíveis junções imóveis. Como resultado, conseguimos identificar várias sequências que apresentaram desempenho superior em relação aos seus antecessores em termos de capacidade de cristalizar e difratar de forma robusta para alta resolução, e que permitiu a capacidade de controlar a simetria do arranjo da rede.

"Isso exigiu um esforço exaustivo que rendeu 134 novas estruturas cristalinas, e estamos muito empolgados em compartilhar uma caixa de ferramentas abrangente de combinações de sequências para direcionar o projeto e a construção de futuros sistemas de cristal de DNA de automontagem".

A nova pesquisa demonstra que a maioria das variantes de junção Holliday produz cristais de automontagem, embora seis arranjos de junções fatais fossem incompatíveis com a formação de cristais. A característica comum nessas junções falhadas era a falta de dois sítios de ligação críticos para íons, que são essenciais para a formação de cristais.

"Este estudo foi fascinante porque mostrou como variações sutis nas geometrias da junção Holliday - que podem ser entendidas no nível de um único nucleotídeo - podem ter efeitos dramáticos na montagem e simetria do cristal. interações no nível molecular que darão origem a nanomateriais empolgantes com controle sem precedentes", disse Stephanopolous.

"Um dos desafios desta pesquisa foi determinar por que algumas junções de Holliday poderiam produzir cristais, mas outras não. Empiricamente, poderíamos estudar as estruturas cristalinas dessas junções que cristalizam, mas entender o comportamento dos arranjos de junções fatais que não, a química computacional era necessária", disse Sulc.

"Para esse fim, nos unimos ao Dr. Miroslav Krepl e ao professor Jiri Sponer da Academia Tcheca de Ciências, que simularam todas as junções Holliday em resolução atomística e obtivemos a percepção crítica de que as junções fatais não eram capazes de ligar íons que estabilizam Este esforço forneceu um excelente exemplo de onde a modelagem computacional e experimentos podem explicar conjuntamente fenômenos complexos", disse ele.

A nova pesquisa fornece pistas valiosas para o design e desenvolvimento de novas formas a serem adicionadas à crescente quantidade de nanoestruturas e nanodispositivos que atendem a uma ampla gama de aplicações em eletrônica, imagem, ciência da computação e medicina.