Los nudos son herramientas indispensables para actividades humanas como la navegación, la pesca y la escalada en roca por no mencionar atar zapatos. Pero atar un nudo en una hebra de ADN en forma de cordón, que mide solo mil millonésimas de metro de longitud, requiere paciencia yExperiencia altamente especializada.
Hao Yan, investigador de ASU, es un experto en este campo delicado y exótico, que opera en la encrucijada de la nanotecnología y las bellas artes.
En una nueva investigación que aparece en la revista Comunicaciones de la naturaleza , Yan y sus colegas Fei Zhang, Xiaodong Qi y otros describen un método para convencer a segmentos de ADN monocatenario en estructuras anudadas complejas en 2 y 3D.
Los resultados representan un avance importante en el campo acelerado de la nanotecnología del ADN, en el que la molécula de la vida se utiliza como material de construcción estructural para una amplia gama de configuraciones pequeñas. Entre estos se encuentran dispositivos robóticos minúsculos, aplicaciones fotónicas, drogassistemas de entrega, puertas lógicas, así como aplicaciones de diagnóstico y terapéuticas.
"Las estructuras de ADN anudadas demostradas en este trabajo exhiben una complejidad topológica sin precedentes, mucho más allá de lo que se ha logrado antes de usar el plegado monocatenario", dice Yan. "De hecho, no solo es sorprendente sino también sorprendente que el ADN monocatenario yEl ARN puede pasar a través de sus propias cadenas y encontrar una manera de formar estructuras tan anudadas, dado el hecho de que la cadena única tiene que tejer a través de tantos enredos ".
Yan dirige el Centro de Biodiseño para Diseño Molecular y Biomimética y es el Profesor Distinguido Martin D. Glick en la Facultad de Ciencias Moleculares de ASU.
Llevar ADN al pliegue
El nuevo estudio involucra innovaciones en el campo del origami de ADN, que, como su nombre lo indica, utiliza ácidos nucleicos como el ADN y el ARN para plegarse y autoensamblarse en formas complejas. Esto ocurre cuando las bases de nucleótidos complementarias en el alfabeto de 4 letras del ADNentrar en contacto y unirse, de acuerdo con un régimen estricto: las bases C siempre se emparejan con las bases G y A siempre se emparejan con T.
En la naturaleza, las cadenas de ácidos nucleicos proporcionan el código necesario para producir proteínas complejas. Esta biología básica proporciona la base para toda la vida terrenal. Aprovechando las propiedades simples de emparejamiento de bases del ADN, es posible diseñar estructuras que se autoabastecen-montaje en el laboratorio. El método se ha aplicado tanto a formas de ADN monocatenarias como bicatenarias, lo que da como resultado nanoestructuras de complejidad y sofisticación crecientes.
Si bien el origami de ADN ha logrado avances sorprendentes desde su inicio, una innovación técnica ha sido muy difícil de lograr. Hasta ahora, la creación de estructuras anudadas complejas en el ADN de una manera predecible y programable ha eludido a los investigadores.
El nuevo trabajo supera este obstáculo, estableciendo reglas de diseño precisas que permiten segmentos de ADN de una sola cadena o ARN que van desde 1800-7500 nucleótidos para formar nanoestructuras similares a nudos con números cruzados donde la cadena de ADN entra y sale desu propia longitud que van de 9 a 57.
El grupo demostró además que estas nanoestructuras de ácido nucleico pueden replicarse y amplificarse, tanto en condiciones de laboratorio como dentro de los sistemas vivos.
nudos de la naturaleza
Las estructuras anudadas, como las que Yan ha fabricado pero mucho más simples que las sintéticas, tienen correlatos en el mundo natural. Se han observado en el ADN y las proteínas y generalmente se forman durante la replicación y la transcripción cuando una secuencia de ADN escopiado en ARN mensajero. También pueden aparecer en los genomas de fagos virus que infectan células bacterianas.
Sin embargo, la construcción de nudos moleculares a escala nanométrica, mostrando geometrías bien definidas y consistentes requiere un enorme control y precisión. Como sucede, los ácidos nucleicos como el ADN son ideales para el diseño y síntesis de tales nudos moleculares.
Anteriormente, las longitudes de ADN bicatenario se han utilizado para construcciones a nanoescala, con la adición de piezas cortas o "hebras básicas" para unir las estructuras resultantes. El nuevo estudio utiliza una sola longitud de ADN diseñada para envolverse en sí mismauna secuencia de pasos precisa y preprogramada.
Una vez que las nanoestructuras de ADN anudadas se ensamblan con éxito, se toman imágenes mediante microscopía de fuerza atómica. El cálculo cuidadoso permite a los investigadores optimizar las vías de plegado para producir el mayor rendimiento para cada estructura sintética. El uso de ADN monocatenario en lugar de bicatenariopermite que las estructuras se produzcan en abundancia a un costo mucho menor.
Un enfoque monocatenario abre la puerta para el diseño de nanoarquitecturas con funciones específicas y bien definidas, que pueden producirse a través de sucesivas rondas de evolución in vitro, donde se seleccionan los atributos deseados en un proceso repetitivo de refinamiento. Además,El enfoque descrito en el nuevo estudio proporciona una plataforma general para el diseño de estructuras moleculares de mayor tamaño y complejidad sin precedentes, allanando el camino para los avances en nanofotónica, suministro de medicamentos, análisis crio-EM y almacenamiento de memoria basado en ADN.
Diseñador de ADN y ARN
Para uno de los diseños iniciales de nudos, la estrategia que Yan y sus colegas desarrollaron consistió en enhebrar una sola cadena de ADN o ARN a través de sí misma 9 veces de acuerdo con una secuencia preprogramada, lo que demuestra que el nuevo método es capaz de producir formas geométricas intrincadas queson programables, replicables y escalables.
La estrategia de diseño se expandió posteriormente para incluir estructuras de ARN monocatenario y nudos de ADN 3D, cuyas formas se reconstruyeron utilizando una técnica conocida como microscopía electrónica de transmisión criogénica, confirmando su correcto plegamiento en las formas deseadas.
"Uno de los desafíos en este trabajo es cómo aumentar el rendimiento de ensamblaje de estructuras altamente anudadas". Dijo Fei. A diferencia de las nanoestructuras de ADN clásicas, los nudos monocatenarios son menos indulgentes en términos de orden de plegado preciso debido a la complejidad topológicaSi un solo cruce se dobla mal durante el proceso, el error difícilmente se corregirá y la mayoría de los pliegues permanecerán en la estructura completa ". Desarrollamos una estrategia jerárquica de plegado para guiar la correcta formación de nudos. Comparamos el plegado.eficiencia de un nudo con 23 cruces mediante el uso de diferentes vías de plegado. Las imágenes de AFM mostraron un aumento dramático en el rendimiento de plegado de estructuras bien formadas del 0,9% al 57,9% mediante la aplicación de una vía de plegado jerárquica optimizada ", agregó Fei.
Las reglas de diseño utilizadas para optimizar las rutas de plegado se basan en la cantidad de puntos de cruce, la longitud del ADN y la cantidad de pares de bases en la estructura diseñada. Se establecieron tres reglas principales. Primero, se descubrió que las rutas de plegado lineales eranpreferible a las rutas ramificadas. En segundo lugar, la sección desplegada de una cadena de ADN no debe pasar por sí misma en las primeras etapas cuando la cadena todavía es larga. Finalmente, los bordes de la forma deseada que tienen tres cruces deben doblarse antes que aquellos con dos cruces.
Siguiendo la estrategia de diseño, el equipo pudo crear nudos de ADN más complejos con un número creciente de cruces.
Las cadenas más largas de ADN monocatenario plantean desafíos únicos para el diseño de nanoestructuras programadas debido a la mayor probabilidad de autocomplementariedad involuntaria de las bases que forman la cadena. Una estructura de nudo de ADN que cuenta con 57 nodos cruzados ensamblados con éxito, aunque con menor rendimiento ymenos precisión. Cuando se aumentó el número de cruces a 67, el rendimiento cayó significativamente y las estructuras resultantes, fotografiadas por AFM, mostraron más errores de ensamblaje.
El estudio informa los nudos de ADN más grandes hasta ahora ensamblados, formados a partir de hasta 7.5k bases, presentando las topologías más complicadas, con hasta 57 regiones cruzadas. Las secuencias de ADN monocatenario pueden ser producidas en masa en células vivas para una mayor eficiencia enmenor costo. En última instancia, las nanoestructuras de ADN de diversas funciones pueden formarse dentro de las células, innovaciones que se buscarán en el trabajo futuro.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Arizona . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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