Durante il processo di replicazione del DNA avviene una reazione di polimerizzazione i cui reagenti sono desossiribonucleosidi trifosfati. I nucleotidi per portare avanti il processo devono avere tre gruppi fosfato la cui energia permette la reazione che porta ad incorporare poi un solo fosfato nel filamento.
Altri fattori discriminanti per iniziare la replicazione sono la presenza di un filamento singolo che funzioni da immagine dei filamenti a venire del quale saranno la copia e la denaturazione da alcuni tipi di proteine del DNA a doppia elica. Questo avviene tramite due processi:
Uno di separazione dei filamenti a doppia elica tramite enzimi chiamati Elicasi, un altro di stabilizzazione dei filamenti singoli da parte di proteine denaturanti, non enzimatiche ai quali si legano selettivamente. Tali processi danno origine ad una forca replicativa che permette tramite la propria migrazione lungo i filamenti a replicazione progressiva di essere replicato in modo continuo mediante esposizione, mentre l’altro filamento a replicazione regressiva risulta disseminato in frammenti chiamati F. di Okazaki di nuova sintesi, i quali provocano l’innesco di RNA.
I filamenti risultanti presentano dunque inneschi e spazi vuoti e devono essere completati tramite la rimozione degli inneschi da parte di endonucleosi e riempimento degli spazi vuoti da parte di polimerasi di riparazione. Successivamente la DNA-ligasi opererà un legame dei frammenti di nuova sintesi del filamento in ritardo.
La replicazione, processo semiconservativo, presenta dunque duedoppie eliche identiche costituite da un filamento preesistente ed uno nuovo.
Per dimensioni, struttura, lunghezza e rigidità il DNA è una molecola estremamente compatibile con le nanotecnologie le cui applicazioni sono i sistemi top-down, in cui la manipolazione di atomi o molecole porta alla formazione di nuove strutture e i sistemi bottom-up, in cui sono le molecole ad autoassemblarsi in base alle caratteristiche di riconoscimento.
Nel caso dei sistemi bottom-up, data la struttura coesiva delle eliche che si uniscono tramite piccoli terminali a singoli filamenti complementari. Tali estremità possono essere programmate con precisione secondo un numero estremamente elevato di tipologie di interazione.
I singoli filamenti di DNA possono interagire con alcuni tipi di nanotubi dando origine ad un ibrido stabile la cui componente indotta (il nanotubo simbiotico) può essere disciolta in soluzione acquosa.
E’ possibile provocare errori stabili durante il processo di replicazione di filamenti puri ed ibridi che possono portare alla comparsa di mutazioni, programmabili e controllabili tramite nanomacchine che possano influire e guidare anche i processi di sintesi proteica.
Una sequenza di DNA a singolo filamento è in grado di autoassemblarsi in una struttura elicoidale che si avvolge attorno ai nanotubi dando origine a nuovi ibridi con peculiarità dipendenti dalla struttura atomica del fattore ibridante e delle proprietà elettroniche. Attraverso la Cromatografia a scambio anionico è possibile separare i nanotubi metallici da quelli semiconduttori per facilitare lo sviluppo di applicazione elettroniche.
Tramite le nanotecnologie è possibile riprodurre agenti simbiotici tra il ribosoma e l’acido ribonucleico di base modificando e condizionando ogni volta il processo di informazione e di scambio con gli aminoacidi per la costruzione di proteine.La nanomacchina (sviluppata sulla struttura molecolare dell’ibrido) è quindi in grado di controllare, dal livello dei processi atomici il processo di acquisizione delle informazioni utili alla catalizzazione chimica delle proteine e di modificarne il contenuto.
Le cellule del sistema immunitario e nervoso sono in comunicazione le une con le altre mediante una rete di canali utili allo scambio di informazioni.
Alcune cellule, quelle dendritiche e i macrofagi utilizzano i nanotubi per trasmettere messaggi molecolari.
Innescando un processo di acquisizione di informazioni da parte di una nanomacchina è dunque possibile sfruttare i canali di comunicazione cellulare per provocare l’apprendimento da parte di cellule situate a distanza rilevante in un lasso di tempo estremamente breve, permettendo trasformazioni chimico-fisiche e di risposta agli stimoli, su modello di comunicazione neuronale.
La nanomacchina è in grado di interporsi a livello dei processi atomici, nel processo di acquisizione di informazioni utili alla catalizzazione delle proteine e nel caso di modificarne il contenuto.
La nanomacchina è composta da materiali biomineraliche si comportano, grazie alla presenza di macromolecole organiche in modo simbiotico con i processi di montaggio delle proteine.
Il processo di creazione del materiale biominerale passa attraverso lo studio dei processi cellulari che contraddistinguono le quattro fasi del meccanismo di creazione ei materiali compositi presenti negli organismi viventi:
- L’organizzazione sopramolecolare
- Il riconoscimento molecolare dell’interfaccia
- Regolazione vettoriale della crescita del cristallo
- Il processo cellulare
Attraverso la chimica biomimetica è possibile imitare tali processi di creazione per la produzione della nanomacchina la quale presentando caratteristiche indotte e programmabili e sfruttando i processi molecolari di ibridazionerisulta compatibile (simbiosi indotta da processi tra catalizzatore e assemblatore) con gli apparati organici.
Ingegnerizzando materiali dalle strutture conformi per dimensione delle particelle, morfologia (o polimorfismo selezionato), enucleazione orientata e crescita organizzata, è possibile ottenere strutture capaci di non interagire con il medium di propagazione della seconda generazione di assemblatori.Modificando controllatamenei processi di biomineralizzazione, in particolare della cristallizazione in presenza di macromolecole biologiche otteniamo la possibilità di aggiungere monostrati assemblati e substrati polimerici funzionalizzati.Addizionando piccole molecole organiche, peptidi (che interagiscono con i ricettori oppiacei del cervello imitando droghe come eroina o morfina) e soprattutto alcuni polimeri tramite condensazione (policrilato –PA), otteniamo un biomateriale come l’idrossiapatite, utile alla costruzione della biomacchina.
Gli assemblatori ci permettono di modificare, gestire, campionare l’attività dell’aminoacido di tipo “D” nel montaggio delle proteine.Gli assemblatori sono capaci di costruire copie di se stessi e quindi di replicarsi.
Un assemblatore è una naomacchina funzionalizzata e programmata in modo a interagire con i processi di sintesi proteica e di fornire indicazioni utili all’aminoacido preposto alla funzione di montaggio.
Questo è un elemento esterno che una volta interposto per adsorbimento, campiona ed istruisce l’ aminoacido (fino a 700.000 operazioni al secondo) condizionando il processo di sintesi.L’assemblatore diventa una seconda fonte di informazione per l’aminoacido di tipo “D” entrando di fatto in simbiosi con l’RNA.La nanomacchina è in grado di condizionare la polimerasi dell’HnRNA(RNA eterogeneo che deve subire una maturazione per divenire mRNA)che matura in modo tale che il prodotto mRNA (messaggero) contengainformazioni corrispondenti, derivanti dal DNA modificato in precedenza (trascrizione).
La sintesi proteica a partire da un DNA modificato e da un RNA campionato vede l’assemblatore nanomeccanico come agente evolutivo e condizionante del processo.
Per fare in modo che l’organismo ospitante modifichi velocemente le sue capacità di sintesi, la nanomacchina deve potersi replicare in numero variabile a seconda del numero di processi di sintesi necessari all’organismo stesso.
Ingeneo progetta nanomacchine chiamate “SEME” che contenendo un nanocomputer (un sistema ibrido su base logico-matematica di dimensioni su scala atomica) danno luogo per autoreplicazione ad un numero di assemblatori definito dall’RNA messaggero , dai suoi codonidi avvio.Questi assemblatori si interfacciano quindi con l’mRNA modificato e ne condizionano, perché programmati precedentemente, i risultati di sintesi.
Una volta modificato il processo di sintesi proteica, raccolgono informazioni sull’attività della crescita della catena polipeptidica risultante, campionandone velocità e tipo di legame.
L’assemblatore a questo punto è programmato per condividere queste informazioni con le altre assemblatrici, e replicarsi per dare vita alla seconda generazione di nanomacchine.
Nel’ambito delle nanotecnologie Ingeneo identifica come scopo della ricerca quello di organizzare la materia biominerale e organometalloide in modo da stimolare il dibattito sui rischi di tecnologie potenzialmente distruttive, tentando di selezionare materiali per lo sviluppo di nanomacchine autoreplicanti.Nell’ambito della genetica molecolare l’unica strada percorribile affinché la progettazione di prodotti efficienti nel campo medico e biomeccanico è quella di una nanotecnologia capace di autoreplicarsi in modo non distruttivo per l’organismo ospitante e quindi “capace di capire” quali siano le funzioni esprimibili, interponendosi nei processi costruttivi della materia stessa dell’organismo perché costruiti con la stessa logica materiale e chimica.
I confini tra organico ed inorganico assottigliandosi sempre di più esprimono l’esigenza di progettare l’autoreplicazione in modo che assemblatori e nanomacchine non impazziscano o non sfruttino le loro capacità di riproduzione e interferenza nei processi molecolari in modo incontrollabile, distruttivo e per questo eticamente errato.
