Ispirandosi all’arte giapponese, i ricercatori hanno costruito nanogabbie auto-assemblanti di DNA in grado di intrappolare virus di grandi dimensioni
A chi non è mai capitato da piccolo di giocare con i mattoncini LEGO? Ogni pezzo si incastra con i suoi complementari per formare castelli, robot o intere città. In laboratorio, i mattoncini LEGO sono le molecole di DNA: ciascuna delle 4 basi azotate presenti su un filamento della doppia elica si unisce alla base azotata complementare sull’altro filamento. I ricercatori possono “incastrare” tra di loro le molecole di DNA come se fossero blocchi da costruzione e piegare le loro lunghe catene come i grandi maestri di origami piegano la carta. Un team dell’Università Tecnica di Monaco ha costruito delle “nano-gabbie” di DNA per catturare virus di grandi dimensioni (maggiore di 100 nm), come ad esempio SARS-CoV-2, prima che entrino nelle cellule. I risultati, ottenuti per ora solo in vitro, sono stati pubblicati su Cell Reports Physical Science.
LA TECNICA DEL DNA ORIGAMI
Le nano-strutture formate da DNA prendono il nome di “origami”, proprio perché la tecnica ricorda l’arte giapponese di piegare la carta secondo schemi precisi per costruire modelli cartacei di oggetti, persone o animali. I DNA-origami, però, sono così piccoli da non poter essere visti a occhio nudo, ma solo con l’ausilio di un microscopio: misurano infatti solo qualche nanometro (pari a un miliardesimo di metro). Nel 2006, un articolo pionieristico pubblicato su Nature presentò al mondo le prime immagini al microscopio di DNA-origami (gli autori furono i primi a chiamarli così). Smile che “sorridono” attraverso la lente del microscopio, ma anche stelline, nastri, forme geometriche e mappe geografiche in scala. Se i primi origami erano tutte forme bidimensionali, negli ultimi anni diversi laboratori di nanotecnologie hanno realizzato diverse strutture tridimensionali con questa tecnica.
Al contrario degli origami classici fatti di carta, i blocchi di DNA possono essere programmati per “auto-assemblarsi” sotto la guida di una miscela di oligonucleotidi, corte sequenze di DNA che si legano in maniera complementare a specifiche porzioni della molecola principale di DNA, costringendola a piegarsi più e più volte nella direzione desiderata. Oggi le applicazioni sono numerosissime: “nano-macchine” in grado di veicolare i farmaci e rilasciarli a comando negli organi o tessuti bersaglio; biosensori per intercettare la presenza di una specifica molecola nell’organismo, aiutando nella diagnosi precoce e nel monitoraggio delle malattie; “nano-impalcature” che permettono di posizionare altre molecole con precisione nanometrica, usate ad esempio nella progettazione dei vaccini su particelle, nei quali la posizione reciproca degli antigeni è fondamentale per legare gli anticorpi e stimolare una risposta immunitaria più forte.
TRAPPOLE PER VIRUS
Sempre nel campo dell’immunologia, i DNA-origami possono essere usati come “nano-gabbie” per catturare i virus prima che entrino nelle cellule. Già nel 2021, in un articolo pubblicato su Nature Nanotechnology, un gruppo di ricercatori aveva messo a punto un prototipo di DNA-origami a forma di sfera in grado di catturare particelle virali di diametro inferiore a 85 nm. La maggior parte dei virus che hanno effetti devastanti sull’essere umano, però, ha un diametro maggiore di 100 nm. A distanza di due anni, lo stesso team ha realizzato un secondo prototipo di nano-gabbia, più grande e quindi potenzialmente in grado di chiudersi come una trappola attorno a virus di dimensioni ancora maggiori.
La forma è quella di un cono 3D, composto da 10 triangoli isosceli bidimensionali. Per realizzarlo, i ricercatori hanno usato la tecnica del DNA origami per piegare una molecola di DNA nella forma di un triangolo isoscele. Hanno quindi assemblato i singoli triangoli per formare dei coni. I coni sono stati trasformati in vere e proprie trappole per virus con un processo cosiddetto di “funzionalizzazione”: i ricercatori hanno attaccato sulla loro superficie interna molecole in grado di riconoscere e legare porzioni virali. Queste molecole possono essere anticorpi, che si legano a proteine virali specifiche, o sostanze più generiche come l’eparan solfato, che i virus come SARS-CoV-2 usano per entrare nelle cellule.
LO STUDIO IN VITRO
I ricercatori hanno condotto una serie di esperimenti in vitro per testare la capacità della loro nano-gabbia di bloccare l’ingresso dei virus nelle cellule. I coni di DNA funzionalizzati con gli anticorpi o con l’eparan solfato hanno catturato con successo il virus dell’influenza A, il virus Zika e SARS-CoV-2: gli scienziati hanno osservato al microscopio i due coni chiudersi attorno alla particella virale come le due fette di un sandwich.
Al momento, però, gli unici risultati rimangono quelli effettuati in laboratorio. Un potenziale ostacolo ai test in vivo è che le strutture di DNA rimangono stabili solo finché sono immerse in soluzioni ad alta concentrazione di sali, potrebbero invece degradarsi nei liquidi biologici, che hanno una salinità più bassa. Ma i ricercatori hanno già studiato una soluzione al problema, sottoponendo le nano-gabbie di DNA a trattamento con raggi UV, una tecnica che aumenta la forza dei legami tra i nucleotidi.
Gli studi su modelli animali saranno, infatti, un passaggio necessario per stabilire la sicurezza, il dosaggio e la distribuzione nei tessuti, e soprattutto per confermare se i DNA-origami sono veramente in grado di bloccare le infezioni. Sulla sicurezza, i ricercatori sono fiduciosi, perché il DNA è un materiale biocompatibile, non associato a tossicità o effetti collaterali gravi. Secondo Hendrik Dietz, del dipartimento di fisica all’ Università Tecnica di Monaco (Germania) e coordinatore dello studio, “i DNA-origami potrebbero avere potenzialità superiori al trattamento classico con anticorpi, perché non accumulano mutazioni nel tempo e possono essere funzionalizzati con sostanze più generiche, come l’eparan solfato, eliminando così il ricorso agli anticorpi”.
Le nanotecnologie stanno già rivoluzionando la medicina: nuovi sistemi di rilascio mirato dei farmaci, nano-macchine che percorrono il complicato labirinto di cellule e tessuti ed organi, nano-robot che spostano molecole da una parte all’altra del corpo umano, nano-trappole che catturano virus e agenti patogeni. Grazie ai progressi della ricerca, questo nuovo mondo su scala nanometrica si apre sempre di più alla nostra conoscenza, pronto a dispiegare tutte le sue potenzialità.
