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I ricercatori dell’Università di Vienna sono riusciti a creare doppie eliche fluorescenti in grado di generare 16 milioni di colori. Questa tavolozza molto ampia può essere utilizzata per “dipingere” con il DNA e per riprodurre accuratamente qualsiasi immagine digitale con profondità di colore a 24 bit su una superficie 2D in miniatura.
La doppia elica del DNA è composta da due molecole di DNA le cui sequenze sono complementari l’una all’altra. La stabilità della doppia elica può essere regolata con precisione in laboratorio controllando la quantità e la posizione di sequenze complementari imperfette.
I marcatori fluorescenti legati a uno dei filamenti di DNA corrispondenti rendono visibile la doppia elica e l’intensità della fluorescenza aumenta con l’aumentare della stabilità dell’elica.
Ora, i ricercatori dell’Università di Vienna sono riusciti a creare doppie eliche fluorescenti in grado di generare 16 milioni di colori, un lavoro che supera il precedente limite di 256 colori.
Questa tavolozza molto ampia può essere utilizzata per “dipingere” con il DNA e per riprodurre accuratamente qualsiasi immagine digitale con profondità di colore a 24 bit su una superficie 2D in miniatura. Questa ricerca è stata pubblicata sul Journal of the American Chemical Society.
La capacità unica delle sequenze di DNA complementari di riconoscersi e assemblarsi come doppia elica è il meccanismo biochimico per il modo in cui i geni vengono letti e copiati.
Le regole di formazione della doppia elica (chiamata anche ibridazione) sono semplici e invariabili, il che le rende anche prevedibili e programmabili.
La programmazione dell’ibridazione del DNA consente di assemblare geni sintetici e di costruire nanostrutture su larga scala. Questo processo si basa sempre su una perfetta complementarietà della sequenza.
L’instabilità della programmazione espande enormemente la nostra capacità di manipolare la struttura molecolare e ha applicazioni nel campo delle terapie a base di DNA e RNA.
In questo nuovo studio, i ricercatori dell’Istituto di chimica inorganica dell’Università di Vienna hanno dimostrato che l’ibridazione controllata può portare alla creazione di 16 milioni di colori e può riprodurre accuratamente qualsiasi immagine digitale in formato DNA.
Per creare il colore, diversi piccoli filamenti di DNA legati a molecole fluorescenti (marcatori) che possono emettere colore rosso, verde o blu vengono ibridati con un lungo filamento di DNA complementare sulla superficie. Per variare l’intensità di ciascun colore, la stabilità della doppia elica viene abbassata rimuovendo con cura le basi del filamento di DNA in posizioni predefinite lungo la sequenza.
Con una stabilità inferiore si ottiene una tonalità di colore più scura e la messa a punto di questa stabilità si traduce nella creazione di 256 sfumature per tutti i canali di colore.
Tutte le tonalità possono essere mescolate e abbinate all’interno di un singolo DNA, generando così 16 milioni di combinazioni e adattandosi alla complessità cromatica delle moderne immagini digitali.
Per raggiungere questo livello di precisione nella conversione da DNA a colore, è stato necessario sintetizzare oltre 45 000 sequenze di DNA uniche.
Per fare ciò, il team di ricerca ha utilizzato un metodo per la sintesi parallela del DNA chiamato sintesi di array senza maschera (MAS). Con MAS, centinaia di migliaia di sequenze di DNA uniche possono essere sintetizzate contemporaneamente e sulla stessa superficie, un rettangolo in miniatura delle dimensioni di un’unghia.
Poiché l’approccio consente allo sperimentatore di controllare la posizione di qualsiasi sequenza di DNA su quella superficie, il colore corrispondente può anche essere assegnato selettivamente a una posizione scelta.
Automatizzando il processo utilizzando script informatici dedicati, gli autori sono stati in grado di trasformare qualsiasi immagine digitale in una fotocopia del DNA con un’accurata resa cromatica.
“Essenzialmente, la nostra superficie di sintesi diventa una tela per dipingere con molecole di DNA su scala micrometrica”, afferma Jory Lietard, PI presso l’Istituto di Chimica Inorganica.
La risoluzione è attualmente limitata a XGA, ma il processo di riproduzione è applicabile a 1080p, oltre che potenzialmente alla risoluzione dell’immagine 4K.
“Al di là dell’imaging, un codice colore del DNA potrebbe avere applicazioni molto utili nell’archiviazione dei dati sul DNA”, afferma Tadija Kekić, dottoranda nel gruppo di Jory Lietard.
Come dimostra il Premio Nobel 2023 attribuito allo sviluppo dei punti quantici, la chimica del colore ha davanti a sé un futuro radioso.
Crediti: C: cblee, Trey Ratcliff, stewartbaird e NOAA Ocean Exploration & Research, C: Tadija Kekic e Jory Lietard
