Progettazione e caratterizzazione di nanostrutture poliedriche di DNA attraverso tecniche di modellistica e dinamica molecolare classica

La dinamica molecolare classica è stata utilizzata, unitamente a tecniche avanzate di modellistica molecolare, per caratterizzare dal punto di vista atomistico un set di nanostrutture poliedriche di DNA e per verificare il meccanismo molecolare di incapsulamento e rilascio di una biomolecola dalla cavità interna di una nanogabbia di DNA appositamente progettata per questo scopo. Lo studio di questi sistemi ha permesso di mettere in evidenza: - l’importanza della composizione nucleotidica dei linker a singolo filamento che compongono le facce quadrate della geometria troncata scelta per generare un set di nanostrutture ottaedriche di DNA. I dati ottenuti infatti indicano molto chiaramente che le nanogabbie esaminate, che condividono la stessa composizione delle doppie eliche collegate da linker con stessa lunghezza ma diversa composizione nucleotidica, possiedono un comportamento molto simile dimostrando che i vincoli imposti dalla geometria sono i fattori principali nel determinare le proprietà di questa classe di nanogabbie; - la possibilità di generare una nanostruttura ottaedrica composta totalmente da doppie eliche di DNA. I dati ottenuti indicano che è possibile progettare una nano‐gabbia di DNA più rigida di quella originale con i linker a singolo filamento. Inoltre le informazioni ricavate da queste analisi confermano che variando la tipologia (ma non la sequenza) dei linker che collegano le doppie eliche strutturali è possibile realizzare nanostrutture in grado di svolgere compiti differenti: ad esempio è possibile variare in maniera molto fine il volume interno della struttura consentendo la creazione di nano‐carriers capaci di trasportare molecole di forma o dimensione differenti; - la relativà semplicità con cui è ora possibile realizzare centinaia di nanostrutture di diversa forma e dimensione, che può essere utilizzato dalla comunità scientifica per progettare e testare in silico dei modelli di nanogabbie poliedriche di DNA prima della loro produzione sperimentale; - In ultimo, ma non meno importante, il ruolo della dinamica molecolare nell’interpretare, da un punto di vista atomistico, un comportamento osservato a livello macroscopico, nonché di identificare un meccanismo molecolare diverso da quello ipotizzato inizialmente. Il processo di incapsulamento e rilascio controllato attraverso la temperatura di un enzima all’interno di una nanogabbia avviene infatti con bassa efficienza poiché il meccanismo inizialmente proposto, che prevedeva una apertura del reticolo della nanogabbia guidato dall’unfolding delle regioni occupate dagli hairpin‐loop, si è rivelato fondamentalmente errato. Il reale meccanismo, evidenziato dalle simulazioni, coinvolge un riarrangiamento totale dello scaffold della struttura che permette l’ingresso dell’enzima attraverso le facce del reticolo che descrive la geometria della nanogabbia.