Nhà nghiên cứu tạo ra đồ gốm DNA có thể cung cấp thuốc trong cơ thể của bạn một ngày nào đó.

DNA là bản thiết kế cho sự sống như chúng ta biết (ít nhất là phần lớn sự sống). Mang các hướng dẫn di truyền cho các sinh vật sống, DNA rất cần thiết cho sự phát triển và tăng trưởng của chúng ta với tư cách là các sinh vật sinh học. Nhưng DNA có thể nhân đôi như một thứ hoàn toàn khác: một khối xây dựng.

Cơ thể con người không thích nó khi DNA lạ xâm nhập vào cơ thể. Nếu một sinh vật chứa DNA ngoại lai xâm nhập, nó có thể kích hoạt phản ứng miễn dịch. Nhưng nếu DNA ngoại lai ‘trần trụi’ xâm nhập, nó sẽ chỉ được hấp thụ và thậm chí được sử dụng làm chất dinh dưỡng. Vì vậy, các nhà nghiên cứu nghĩ rằng chúng ta có thể tận dụng lợi thế này và tái sử dụng DNA làm chất mang.

Tất nhiên, để DNA làm mọi thứ theo cách chúng ta muốn không phải là điều dễ dàng. Ngoài việc là một vật liệu độc đáo để làm việc, các chuỗi DNA còn rất nhỏ – điều này làm cho những thành tựu của Đại học Duke và Đại học Bang Arizona trở nên ấn tượng hơn.

Các cấu trúc nano DNA đã được các đồng tác giả Raghu Pradeep Narayanan và Abhay Prasad lắp ráp và chụp ảnh trong phòng thí nghiệm của giáo sư Hao Yan tại bang Arizona. Họ đã tạo ra các cấu trúc giống như đồ gốm nhỏ từ DNA – bình hoa, bát và quả cầu rỗng. Với độ chính xác nanomet, họ cũng đặt các cấu trúc này bên trong nhau, giống như búp bê Nga.

Mỗi vật thể này nhỏ đến mức bạn có thể nhét 50.000 vật thể trong số chúng vào đầu một chiếc đinh ghim — chiều rộng không quá hai phần triệu inch. Phát triển một thứ quá nhỏ không hề dễ dàng và nó bắt đầu với phần mềm sáng tạo.

Kiến thức bổ sung

Như thường thấy trong khoa học hiện đại, các khám phá không đến ngay lập tức: đó là một quá trình xây dựng từng chút một và tiến bộ dần dần.

Dan Fu, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Duke và cố vấn của anh ấy là John Reif đã phát triển phần mềm có tên DNAxiS — đây là một công cụ trực tuyến miễn phí đi kèm với các hướng dẫn và kho lưu trữ GitHub. Phần mềm sử dụng một phương pháp được Yan mô tả vào năm 2011, phương pháp này hoạt động bằng cách quấn các chuỗi xoắn kép DNA dài thành các vòng đồng tâm, sau đó được sắp xếp để tạo ra các đường viền của đối tượng mong muốn. Các sợi DNA nhỏ hơn được sử dụng để liên kết và nối các sợi dài thành hình dạng mong muốn.

Đây không phải là lần đầu tiên các cấu trúc nhỏ được xây dựng từ DNA. Vào những năm 1980, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm với những hình dạng đơn giản như hình khối hoặc kim tự tháp – nhưng các cấu trúc hình tròn như chậu tỏ ra khó khăn hơn. Nghiên cứu mới mở rộng phạm vi các hình dạng có thể được thiết kế với sự trợ giúp của DNA và để làm cho nó thú vị hơn nữa, DNAxiS là mã nguồn mở, có nghĩa là các nhà nghiên cứu và công ty từ khắp nơi trên thế giới có thể sử dụng và xây dựng dựa trên nó.

“Nếu có quá ít, hoặc nếu chúng ở sai vị trí, cấu trúc sẽ không hình thành đúng,” Fu nói. “Trước phần mềm của chúng tôi, độ cong của hình dạng khiến đây là một vấn đề rất khó khăn.”

Phần mềm lấy mô hình mong muốn làm đầu vào và sau đó, trong vòng một ngày, tạo ra danh sách các chuỗi DNA có thể tạo thành đầu ra mong muốn, bằng cách trộn bốn bazơ tạo nên DNA: adenine (A), cytosine (C), guanine ( G) và tuyến ức (T). Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu đã thiết kế nhiều đối tượng khác nhau được tạo ra từ DNA để chứng minh tính hiệu quả của phương pháp này.

Cấu trúc không chỉ vì mục đích thiết kế. Do hình dạng có thể được sửa đổi thành một cấu trúc tự nhiên tròn trịa hơn nên phương pháp này có thể được sử dụng để tạo ra các vật chứa nhỏ để vận chuyển thuốc hoặc cho các ứng dụng y tế khác. Phần mềm này cũng có thể được sử dụng để tạo ra các hạt nano kim loại đúc siêu nhỏ có hình dạng cụ thể cho pin mặt trời và các ứng dụng khác.

Có thể còn lâu các ứng dụng thực tế mới bắt đầu xuất hiện, nhưng “đó là một bước tiến lớn về mặt thiết kế tự động các cấu trúc ba chiều mới,” Reif nói.

Tạp chí tham khảo: “Thiết kế tự động của 3D DNA Origami với độ cong 2D chưa được chỉnh sửa,” Daniel Fu, Raghu Pradeep Narayanan, Abhay Prasad, Fei Zhang, Dewight Williams, John S. Schreck, Hao Yan, John Reif. Tiến bộ khoa học, ngày 23 tháng 12. 2022. DOI: 10.1126/sciadv.ade4455