Durante las últimas décadas, los científicos se han inspirado en el modelo de la vida, el ADN, como la forma de lo que vendrá para la nanotecnología.
Este campo floreciente se llama origami de ADN. El científico tomó prestado su apodo de los artistas del papel que evocan pájaros, flores y aviones al doblar con imaginación una sola hoja de papel.
Del mismo modo, los científicos de origami de ADN están soñando con una variedad de formas, a una escala mil veces más pequeña que un cabello humano, que esperan que algún día revolucionen la informática, la electrónica y la medicina.
Ahora, un equipo de científicos del estado de Arizona y Harvard ha inventado un nuevo avance importante en la nanotecnología del ADN. Apodado "origami monocatenario", su nueva estrategia utiliza una hebra de ADN larga y delgada similar a un fideo, o su primo químico ARN, que se puede auto-plegar, sin ni siquiera un solo nudo, en las estructuras más grandes y complejas hasta la fecha.
Y, las hebras que forman estas estructuras se pueden fabricar dentro de células vivas o usando enzimas en un tubo de ensayo, lo que permite a los científicos el potencial de conectar y jugar con nuevos diseños y funciones para la nanomedicina, como diminutos nanobots que juegan al médico yadministrando medicamentos dentro de las células al sitio de la lesión.
"Creo que este es un avance emocionante y también una gran oportunidad para la biología sintética", dijo Hao Yan, co-inventor de la tecnología, director del Centro de Diseño Molecular y Biomimética del Instituto ASU Biodesign, y MiltonGlick Professor en la Facultad de Ciencias Moleculares.
"Siempre nos inspiramos en los diseños de la naturaleza para crear moléculas portadoras de información que puedan auto-plegarse en las formas a nanoescala que queremos hacer".
Como prueba de concepto, han superado los límites para crear caras sonrientes, corazones y formas triangulares similares a Emoji 18 formas en total que amplían significativamente el espacio del estudio de diseño y la escalabilidad del material para los llamados "bottom-up "nanotecnología.
El tamaño importa
Hasta la fecha, los científicos de nanotecnología de ADN han tenido que depender de dos métodos principales para crear estructuras direccionables espacialmente con dimensiones finitas.
El primero consistió en ladrillos moleculares, piezas pequeñas y cortas de ADN que se pueden plegar para formar una sola estructura. El segundo método fue el ADN andamio, en el que una sola hebra se forma en una estructura mediante el uso de hebras auxiliares de ADN, que engrapan elestructura en su lugar.
"Estos dos métodos no son muy escalables en términos de síntesis", dijo Fei Zhang, coautor principal del artículo. "Cuando tienes tantas piezas cortas de ADN, no puedes replicarlas usando sistemas biológicos.Una forma de evitar esto es diseñar un hilo largo que pueda plegarse en cualquier diseño o arquitectura ".
Además, cada método ha sido limitado porque a medida que aumenta el tamaño de la estructura, la capacidad de plegarse correctamente se vuelve más desafiante.
Ahora, hay una nueva tercera vía.
Para que Yan y su equipo lograran su avance, tuvieron que volver a la mesa de dibujo, lo que significaba mirar de nuevo a la naturaleza en busca de inspiración. Encontraron lo que estaban buscando con un primo químico del ADN, en forma de complejo, Estructuras de ARN.
Las estructuras complejas de ARN descubiertas hasta la fecha contienen moléculas de ARN monocatenarias que se auto-pliegan en estructuras sin ningún nudo topológico. ¿Podría este truco funcionar nuevamente para origami de ADN o ARN monocatenario?
Pudieron descifrar el código de cómo el ARN crea estructuras para desarrollar una arquitectura de origami monocatenaria totalmente programable.
"La innovación clave de nuestro estudio es utilizar ADN y ARN para construir una estructura estructuralmente compleja pero sin nudos que se pueda plegar sin problemas a partir de una sola hebra", dijo Yan. "Esto nos dio una estrategia de diseño que nos permitiódoblar una hebra larga en una arquitectura compleja ".
"Con la ayuda de un científico informático del equipo, también podríamos codificar el proceso de diseño como un algoritmo formal matemáticamente riguroso y automatizar el diseño mediante el desarrollo de una herramienta de software fácil de usar", dijo Yan.
El algoritmo y el software fueron validados por el diseño automatizado y la construcción experimental de seis estructuras distintas de ADN ssOrigami cuatro rombos y dos formas de corazón.
Forma y función
Una cosa es crear patrones ingeniosos y caritas sonrientes con ADN, pero los críticos del origami de ADN se han estado preguntando cuándo se producirían las aplicaciones prácticas.
Ahora, esto es posible. "Creo que estamos mucho más cerca de las aplicaciones prácticas reales de la tecnología", dijo Yan. "Estamos buscando activamente las primeras aplicaciones de nanomedicina con nuestra tecnología ssOrigami".
También pudieron demostrar que una estructura plegada de ssOrigami se puede fundir y utilizar como plantilla para la amplificación mediante enzimas que copian el ADN en un tubo de ensayo y que la hebra de ssOrigami se puede replicar y amplificar mediante la producción clonal en células vivas.
"Las nanoestructuras de ADN monocatenario formadas mediante el auto-plegado ofrecen un mayor potencial de ser amplificables, replicables y clonables y, por lo tanto, la oportunidad de una producción rentable a gran escala mediante la replicación enzimática y biológica, así como la posibilidad deutilizando la evolución in vitro para producir fenotipos y funcionalidades sofisticados ", dijo Yan.
Estas mismas reglas de diseño podrían usarse para el primo químico del ADN, el ARN.
Una característica clave del diseño del origami de una sola hebra ssOrigami es que la hebra se puede hacer y copiar en el laboratorio y en células vivas y, posteriormente, plegarse en estructuras de diseño calentando y enfriando el ADN.
Para hacerlo dentro del laboratorio, usaron la fotocopiadora de secuencias de clonación, llamada PCR, para replicar y producir ssDNA.
Dentro de las células vivas, primero lo colocaron dentro de una mula de clonación molecular, llamado plásmido, después de colocarlo en una bacteria común de laboratorio llamada células E. coli. Cuando trataron la bacteria con enzimas para liberar el ssDNA,podría aislarlo y luego doblarlo en su estructura de destino.
"Debido a que el ADN plasmídico se puede replicar fácilmente en E. coli, la producción se puede aumentar al cultivar un gran volumen de células de E. coli a bajo costo", dijo Yan. Esto evita la restricción de tener que sintetizar todosel ADN en el laboratorio desde cero, que es mucho más caro.
Ahora también los mueve en una dirección, donde potencialmente pueden hacer estructuras dentro de las células.
"Aquí mostramos a las bacterias para hacer la hebra, pero aún necesitamos hacer un recocido térmico fuera de las bacterias para formar la estructura", dijo Yan. "La situación ideal sería diseñar una secuencia de ARN que pueda transcribirse dentro de las bacterias,y se pliegan dentro de las bacterias para que podamos usar las bacterias como una nanofábrica para producir el material ".
Aquí, demostraron un marco para diseñar y sintetizar una sola hebra de ADN o ARN para auto-plegarse de manera eficiente en una estructura ssOrigami compacta sin nudos que se aproxima a cualquier forma de objetivo arbitraria prescrita por el usuario.
"Su monocatenario permitió la demostración de la replicación fácil de la cadena in vitro y en células vivas, y su programabilidad nos permitió codificar el proceso de diseño y desarrollar una herramienta de diseño automatizada basada en la web simple".
Una nueva escuela de diseño
En el software, realizado a través de una colaboración con BioNano Research Group, Autodesk Research, primero, el usuario selecciona una forma de destino, que se convierte en una representación pixelada. El usuario puede cargar una imagen 2D o dibujar una forma usando un diseño de píxeles 2Deditor.
El usuario puede agregar opcionalmente horquillas o bucles de ADN, que pueden servir como marcadores de superficie o asas para unir entidades externas. Los píxeles se convierten en dominios helicoidales de ADN y dominios de bloqueo para realizar el plegado. El software generará estructuras y secuencias ssOrigami, y el usuario puede ver la estructura molecular a través de un visor molecular integrado. Finalmente, la secuencia de ADN se asigna a la cadena del ciclo, y la estructura doblada esperada se fabrica en el laboratorio y se confirma visualmente al verla bajo un poderoso microscopio que son los ojosde nanotecnología, microscopía de fuerza atómica o AFM.
"Realmente hemos aumentado la complejidad a la vez que reducimos los costos", dijo Yan. "Este estudio amplía significativamente el espacio de diseño y la escalabilidad para la nanotecnología ascendente y abre la puerta a las aplicaciones sanitarias".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad Estatal de Arizona . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :