Los biólogos y nanobiólogos sintéticos están reutilizando el ADN, el material hereditario presente en casi todas las células del cuerpo, como un material inteligente y estable de autoensamblaje para construir nanofactorías, nanoestructuras de suministro de medicamentos y dispositivos moleculares que pueden detectar su entorno y responderde diferentes maneras, por ejemplo, detectando inflamación en el cuerpo o toxinas en el medio ambiente. Estas aplicaciones a nanoescala a menudo implican la síntesis de secuencias grandes que comprenden miles de los bloques de construcción de los que está hecho el ADN, conocidos como A, T, C yBases de nucleótidos G, que pueden plegarse y estructurarse aún más debido a las capacidades específicas de emparejamiento de bases entre As y Ts, y Cs y Gs, respectivamente.
Sin embargo, hasta ahora, los investigadores no tienen herramientas a su disposición que permitan que las secuencias monocatenarias más grandes crezcan de forma autónoma y luego se unan de extremo a extremo siguiendo un plan de diseño molecular, una capacidad que podría generar estructuras y dispositivoscon diversas capacidades.
Publicado hoy en Química de la naturaleza, la investigación realizada por Peng Yin en el Instituto Wyss de Ingeniería Biológica de Harvard proporciona una solución ampliamente aplicable a este problema. Yin y su equipo han desarrollado un método que permite que las secuencias de ADN prediseñadas crezcan y se concatenen de manera autónoma a lo largo de rutas de ensamblaje específicas, por lo tantoproporcionando la base para una nueva generación de dispositivos moleculares programables. Al poner a prueba su nuevo concepto de las llamadas cascadas de 'Reacción de intercambio de cebadores' PER, diseñaron con éxito un primer conjunto de dispositivos con diversas funciones, como la autoconstrucciónOrigami de ADN y nanoestructuras de ADN que detectan, amplifican, registran o evalúan lógicamente las señales ambientales.
Los métodos anteriores produjeron copias idénticas de una secuencia más pequeña fija, pero no pueden agregar diferentes secuencias sintetizadas entre sí en patrones definidos para generar ensamblajes más grandes de forma autónoma sin intervención mediada por el usuario ". Las características autónomas y programables que ofrecen las cascadas PER podríanengendrar una generación completamente nueva de dispositivos y aplicaciones moleculares programables y brechas estrechas en los esfuerzos de diseño, para los cuales ya existen muchas partes móviles ", dijo Peng Yin, Ph.D., miembro del Wyss Institute Core Faculty, quien dirigió el estudio y también es profesor deBiología de sistemas en la Facultad de medicina de Harvard HMS. "Proporcionamos datos de prueba de concepto para PER en una amplia gama de aplicaciones de biología sintética de vanguardia que resaltan claramente el amplio potencial de la tecnología".
El equipo del Instituto Wyss utilizó el nuevo concepto para diseñar una serie de transcripciones de ADN PER para aplicaciones muy diversas, incluida la síntesis autónoma de grandes nanoestructuras de ADN conocidas como origami de ADN y enfoques de biología sintética, en los que la síntesis de un ADNLa transcripción depende de un desencadenante, como un micro ARN pequeño asociado al cáncer. Su enfoque PER incluso puede generar transcripciones de ADN como resultado de una combinación evaluada lógicamente de diferentes desencadenantes, similar a los dispositivos de ribocomputación de ARN que el equipo de Yin publicó a principios de este año.Las transcripciones de ADN pueden convertirse en catalíticas por sí mismas, pudiendo cortar un ARN objetivo arbitrario, convertirse en sondas marcadas con fluorescencia que amplifican la presencia de un estímulo molecular particular, o "registradores moleculares" que indican fielmente el orden en que aparecen ciertas señales moleculares en sus entornos.
Para comenzar la cascada PER, se necesitan dos componentes básicos. Uno se llama "mediador catalítico de horquilla de ADN", que es una molécula de ADN monocatenaria que se empareja parcialmente consigo misma para formar una estructura de horquilla con una hebra corta corta que sobresaleEste voladizo está diseñado para capturar el segundo componente de las cascadas PER, el "cebador", que contiene una región que es complementaria al voladizo. A través de una serie de reacciones de alargamiento y desplazamiento, el cebador se extiende con una secuencia proporcionada por el catalizadormediador de horquilla y luego expulsado. Esto libera el mediador catalítico de horquilla para conectar en cascada la siguiente ronda del proceso, ya sea capturando un nuevo cebador inicial o el cebador ya alargado, y así sucesivamente.
Estas complejas rutas de síntesis proceden de forma autónoma, comparable a un robot molecular que realiza una tarea determinada, y a una sola temperatura, lo que hace que la tecnología sea muy robusta ". El enfoque nos brinda una tremenda libertad creativa: no solo podemos sintetizar la misma pieza deADN una y otra vez como nuevas adiciones de una secuencia en crecimiento, pero también podemos variar los tipos de secuencias de ADN que se van a agregar simplemente cambiando la composición de los ADN y los cebadores catalíticos en horquilla en la mezcla mientras el ensamblaje está en curso. Esto nos permite tenerla síntesis se ramifica en diferentes direcciones y crea un patrón complejo de la composición de la transcripción final del ADN ", dijo la primera autora del estudio, Jocelyn Kishi, quien como investigadora graduada de la National Science Foundation NSF en HMS trabaja en el equipo del Instituto Wyss de Yin".Ahora estamos trabajando para implementar las cascadas PER para una variedad de aplicaciones, que incluyen grabadores moleculares, diagnósticos sofisticados e imágenes de tejido.algún día, estos sistemas se pueden usar en células vivas como dispositivos que pueden registrar eventos o reprogramar el comportamiento celular de formas específicas ", dijo Kishi.
"Este nuevo avance que muestra cómo las moléculas de ADN se pueden programar para autoensamblarse en estructuras 3D específicas y llevar a cabo funciones y tareas predefinidas representa un gran paso adelante en el campo de la robótica molecular y proporciona una visión del futuro de los dispositivostanto para aplicaciones médicas como no médicas ", dijo el Director Fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., quien también es el Profesor Judah Folkman de Biología Vascular en el HMS y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, así comoProfesor de Bioingeniería en la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences SEAS.
Otros autores en el estudio incluyen al científico del personal del Instituto Wyss Thomas Schaus, MD, Ph.D., y los becarios posdoctorales Nikhil Gopalkrishnan, Ph.D., y Feng Xuan, Ph.D. El estudio fue apoyado por el Instituto Wyss paraBecas de ingeniería e investigación inspiradas biológicamente de la Oficina de Investigación Naval y la NSF, y becas posdoctorales NSF y Jane Coffin Childs.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en Harvard . Original escrito por Benjamin Boettner. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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