È una delle più suggestive frontiera della fisica: riuscire ad assemblare le molecole di DNA come fossero mattoncini lego o pezzi di un puzzle, per realizzare strutture complesse come i cristalli. La sfida è stata raccolta da un gruppo internazionale di ricercatori di cui fa parte anche Sapienza università di Roma. Alla fine è stato sviluppato un metodo innovativo per individuare la soluzione ottimale e più efficiente per costruire strutture complesse con mattoncini di DNA attraverso un meccanismo di auto-assemblaggio. I risultati sono pubblicati su Science.
Il DNA si presta a essere utilizzato a tale scopo, grazie alla complementarietà delle quattro basi azotate, che lo rende molto versatile e adatto a unirsi in composti. Attraverso un meccanismo detto di auto-assemblaggio le molecole stesse, anche in enorme numero, formano una struttura organizzata come conseguenza di interazioni specifiche e locali tra i costituenti, senza azioni esterne.
Tuttavia, riuscire a ottenere e a controllare l’auto-assemblaggio delle particelle non è semplice. Data una determinata struttura, la sfida è riuscire a sintetizzarla in maniera corretta ed efficiente, riducendo il più possibile il numero delle diverse componenti necessarie. La collaborazione internazionale ha così indagato a fondo il problema. Tra gli esperti coinvolti anche Lorenzo Rovigatti, Francesco Sciortino e John Russo del Dipartimento di Fisica della Sapienza, insieme ai colleghi della Ca’ Foscari di Venezia, di Columbia e della Arizona State University.
Riprendendo l’esempio iniziale, i mattoncini lego e i pezzi di un puzzle sono in realtà due processi alternativi e diversi di costruzione. I primi sono tutti simili tra loro e sono progettati in modo da potersi legare con qualsiasi altro mattoncino per creare infinite forme. I secondi invece sono tutti diversi e si legano solo al loro corrispondente, in una posizione ben precisa, per formare un disegno predefinito.
La scelta degli scienziati sta dunque nel mezzo: non mattoncini tutti uguali per avere infinite strutture, né pezzi tutti diversi per ottenere il risultato voluto, ma il numero minimo di elementi diversi per creare esattamente e solamente la conformazione cercata.
La chiave per arrivare alla soluzione è stata la traduzione di questo problema teorico, e quindi della struttura desiderata, in un insieme di clausole logiche semplici. Queste possono essere poi risolte numericamente, ricavando così una soluzione ottimale ed efficiente per qualsiasi forma.
Per dimostrare la validità del metodo, gli autori hanno deciso di realizzare sperimentalmente l’auto-assemblaggio di un cristallo scelto per le sue proprietà fotoniche su scala nanometrica, , il pirocloro, «un cristallo che non esiste in natura ed era considerato impossibile da realizzare sperimentalmente» spiega John Russo. Per crearlo sono state utilizzate particelle interamente composte di DNA (in gergo “DNA origami”). In questo modo è stato così possibile dimostrare che – come previsto – si forma precisamente la struttura richiesta, in una sorta di puzzle da soli quattro tipi di pezzi che infallibilmente si assembla da solo.
Al riguardo, Lorenzo Rovigatti, spiega: «Il lavoro si basa sull’idea di utilizzare uno strumento matematico chiamato “Soddisfacibilità booleana”, anche noto come SAT, per risolvere il problema di auto-assemblare strutture ordinate a partire da un numero limitato di mattoncini. Il vantaggio di usare il SAT è che, oltre a ottenere una soluzione che assembli la struttura ordinata voluta, permette anche di affinare la soluzione affinché eventuali strutture che competono con quella target vengano sfavorite». E conclude: «Applichiamo questa tecnica sofisticata per progettare al computer e poi ottenere in laboratorio un materiale cristallino mai stato assemblato prima, dimostrando chiaramente le potenzialità del nostro metodo, che abbiamo ribattezzato SAT-assembly».
Questo approccio innovativo alla formazione spontanea delle strutture offre, pertanto, una nuova prospettiva per la progettazione di nanomateriali. Consentirà di costruire strutture composte da miliardi di componenti disposti con assoluta precisione, aprendo di fatto la strada ad applicazioni in settori come la fotonica e la nanoelettronica. (Red.)
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