Cercetătorii de la Salk folosesc origami ADN pentru a urmări mișcările moleculare
Viața este adesea descrisă de oameni de știință ca o serie de reacții chimice, însă Pallav Kosuri o definește prin mișcare. Reacțiile chimice sunt esențiale pentru a impulsiona mișcarea atomilor, proteinelor, celulelor și organismelor – fără mișcare, nu există viață.
„Dacă nu știi cum se mișcă ceva, nu știi ce face”, afirmă Kosuri. „Și dacă vrei să înțelegi, să manipulezi și să alterezi funcția moleculelor, înțelegerea mișcărilor lor fizice este la fel de importantă ca înțelegerea reacțiilor chimice. Diferența este că avem un catalog cuprinzător al reacțiilor chimice, în timp ce partea mecanică este încă un teren neexplorat.”
Laboratorul lui Kosuri își propune să schimbe această situație. Au început cu origami ADN, o metodă care folosește blocuri de ADN pentru a crea nanostructuri personalizate și autoasamblante, având aplicații variate precum livrarea de medicamente și dispozitive lab-on-a-chip, dar acum și în descoperiri biologice fundamentale. Ulterior, au dezvoltat ORBIT, o metodă care utilizează origami ADN pentru a construi nanostructuri fluorescente ce facilitează vizualizarea mișcărilor moleculare.
Limitările tehnice au făcut de-a lungul timpului dificile sau imposibile măsurarea mișcărilor moleculare pe perioade extinse. Microscopia de fluorescență este o tehnologie puternică, dar timpul de observație este limitat de durata de viață a etichetelor fluorescente, care în cele din urmă se estompează.
Lucrările lor recente, publicate în Cell Reports Methods pe 13 august 2026, depășesc această provocare printr-o strategie inovatoare de „ciclare a coloranților” pentru ORBIT, care reînnoiește constant etichetele fluorescente, extinzând timpul de măsurare de la câteva secunde la ore. Aceasta le-a permis să măsoare rotația unei singure molecule de ARN polimerază în timp ce „citește” ADN-ul cu o rezoluție pe baza pereche.
Ce este origami ADN?
ADN-ul din fiecare celulă a corpului nostru este rezultatul a miliarde de ani de evoluție și optimizare. Structura ADN-ului se bazează pe acizi nucleici complementari, reprezentați în scurt prin A, T, C și G. Fiecare „literă” de acid nucleic are un partener cu care se interconectează (A cu T; C cu G) pentru a crea celebra dublă helix.
Această capacitate unică a firelor de ADN de a se asocia și de a se asambla a inspirat o idee cu decenii în urmă: Ce ar fi dacă am folosi elementele arhitecturale înnăscute ale ADN-ului pentru a construi structuri diferite de dublul helix?
Structurile de origami ADN se construiesc singure – structura lor este codificată în compoziția lor. Acest aspect este esențial pentru capacitatea noastră de a atinge o precizie aproape atomică în designurile noastre.”
„Într-o abordare de construcție de sus în jos, ești limitat la zeci de nanometri ca cea mai bună rezoluție posibilă. Dar, deoarece origami ADN este autoasamblant, structurile pot fi construite de la baza în sus, permițând o rezoluție mult mai mică, menținând în același timp precizia și personalizarea.”
„Poți proiecta structuri 3D cu o precizie și o rezoluție superioare metodelor comerciale de fabricație, fără a avea nevoie de vreo mașină – pur și simplu pui componentele împreună și le lași să se combine pentru a crea ceva la scară nanometrică sau chiar mai mic”, continuă Kosuri. „Este rapid de iterat; este ieftin; este biodegradabil; și este cu adevărat distractiv de lucrat cu ele.”
De ce să studiem mișcările moleculare?
Laboratorul lui Kosuri a devenit un pionier în cercetarea origami ADN, atât de mult încât a fost recrutat de inginerul și educatorul Mark Rober pentru a construi cea mai mică pușcă Nerf din lume, realizată complet din ADN. Cei doi au realizat un videoclip educațional care a devenit viral pe YouTube, având până acum peste 80 de milioane de vizualizări în întreaga lume. Deși laboratorul Kosuri a apreciat foarte mult oportunitatea de a demonstra posibilitățile de design ale ADN-ului, acum își îndreaptă atenția spre dezvăluirea mișcărilor moleculare folosind aceleași tehnici.
Proteinele care interacționează cu ADN-ul, cum ar fi ARN polimeraza, trebuie să se rotească din cauza structurii helicoidale a ADN-ului. ARN polimeraza transcrie informația genetică de la ADN la ARN, oferind instrucțiuni pe care mașinăria celulară le folosește pentru a construi proteine esențiale pentru menținerea vieții și sănătății celulelor.
Transcrierea ADN-ului de către ARN polimeraza este esențială pentru dezvoltarea și activitatea zilnică a fiecărei celule. Atunci, de ce nu studiem mișcarea acestei mașini moleculare cheie?
„Ei bine, pur și simplu nu putem observa mișcarea – diametrul rotației circulare a ADN-ului este de 100 de ori mai mic decât lungimea de undă a luminii vizibile”, explică Kosuri. „Dar, în loc să măsurăm asta, ne-am gândit că am putea asambla un rotor din origami ADN care este vizibil, să-l atașăm la firul de ADN și apoi să măsurăm mișcarea rotorului.”
Ce este ORBIT?
ORBIT face exact asta; este o metodă dezvoltată de Kosuri care utilizează rotoare din origami ADN etichetate cu fluorescență pentru a urmări rotația ADN-ului în timpul interacțiunii cu ARN polimeraza. Datorită naturii precise și personalizate a origami ADN, metoda menține o rezoluție pe baza pereche, permițând cercetătorilor să măsoare rotația în timp ce ARN polimeraza traversează fiecare bază, de la A-T la C-G și așa mai departe.
„Este la fel de simplu ca atașarea unui obiect mai mare la un obiect mai mic”, spune Kosuri. „Acum, când obiectul mai mic se rotește, putem observa cum obiectul mai mare se rotește și putem înregistra acea mișcare într-un microscop standard.”
Rotorul din origami ADN, atașat la firul de ADN, arată foarte asemănător cu un deschizător de sticle – un cilindru lung spiralat atașat la un mâner mare în formă de X cu o etichetă fluorescentă. Odată ce tija spiralată este atașată la ARN polimeraza, mânerul mare, fluorescent, în formă de X amplifică mișcarea ADN-ului spiralat subiacente, permițând oamenilor de știință să observe și să măsoare rotația.
„ORBIT are potențialul de a fi o metodă puternică pentru a studia ARN polimeraza și alte proteine care interacționează cu ADN-ul”, afirmă Amanda Wacker. „Dar, ca alte metode de urmărire a fluorescenței, timpii de observație ai ORBIT sunt limitați de fotobleaching-ul etichetelor fluorescente de pe rotorul din origami ADN. Asta a inspirat ciclarea coloranților pentru ORBIT.”
Ce este ciclarea coloranților pentru ORBIT?
Etichetele fluorescente devin chimic deteriorate pe parcursul timpului în timpul
