Los ingenieros han desarrollado una técnica que les permite colocar con precisión dispositivos microscópicos formados a partir de moléculas de ADN plegadas no solo en una ubicación específica sino también en una orientación específica.
Como prueba de concepto, colocaron más de 3.000 dispositivos moleculares a nanoescala brillantes en forma de luna en un instrumento con forma de flor para indicar la polarización de la luz. Cada uno de los 12 pétalos apuntaba en una dirección diferente alrededor del centro de la flor., y dentro de cada pétalo alrededor de 250 lunas se alinearon con la dirección del pétalo. Debido a que cada luna solo brilla cuando es golpeada por luz polarizada que coincide con su orientación, el resultado final es una flor cuyos pétalos se iluminan en secuencia a medida que la polarización de la luz brillasobre ella se gira. La flor, que se extiende una distancia menor que el ancho de un cabello humano, demuestra que miles de moléculas pueden orientarse de manera confiable en la superficie de un chip.
Este método para colocar y orientar con precisión dispositivos moleculares basados en ADN puede hacer posible el uso de estos dispositivos moleculares para alimentar nuevos tipos de chips que integran biosensores moleculares con óptica y electrónica para aplicaciones tales como secuenciación de ADN o medición de concentraciones de miles deproteínas a la vez.
La investigación, publicada el 19 de febrero por la revista ciencia , se basa en más de 15 años de trabajo de Paul Rothemund BS '94 de Caltech, profesor de investigación de bioingeniería, ciencias de la computación y matemáticas, y sistemas de computación y neuronales, y sus colegas. En 2006, Rothemund demostró que el ADN podía serdirigido a plegarse en formas precisas a través de una técnica denominada origami de ADN. En 2009, Rothemund y sus colegas de IBM Research Almaden describieron una técnica mediante la cual el origami de ADN podía colocarse en ubicaciones precisas en las superficies. Para hacerlo, utilizaron un proceso de impresión basado enen haces de electrones y crearon parches "pegajosos" que tenían el mismo tamaño y forma que el origami. En particular, mostraron que los triángulos del origami se unían precisamente en la ubicación de los parches adhesivos triangulares.
A continuación, Rothemund y Ashwin Gopinath, ex becario postdoctoral senior de Caltech y ahora profesor asistente en el MIT, refinaron y ampliaron esta técnica para demostrar que los dispositivos moleculares construidos a partir de ADN origami podrían integrarse de manera confiable en dispositivos ópticos más grandes. "La barrera tecnológicaha sido cómo organizar de forma reproducible una gran cantidad de dispositivos moleculares en los patrones correctos en los tipos de materiales utilizados para los chips ", dice Rothemund.
En 2016, Rothemund y Gopinath demostraron que el origami triangular que lleva moléculas fluorescentes podría usarse para reproducir una versión de 65.000 píxeles de La noche estrellada de Vincent van Gogh. En ese trabajo, el origami de ADN triangular se utilizó para colocar moléculas fluorescentes dentro del tamaño de una bacteriaresonadores ópticos; la colocación precisa de las moléculas fluorescentes era fundamental, ya que un movimiento de solo 100 nanómetros hacia la izquierda o hacia la derecha atenuaría o iluminaría el píxel más de cinco veces.
Pero la técnica tenía un talón de Aquiles: "Debido a que los triángulos eran equiláteros y podían rotar y voltearse libremente, podían pegarse planos sobre el parche adhesivo triangular en la superficie de cualquiera de las seis formas diferentes. Esto significaba queno podíamos usar ningún dispositivo que requiriera una orientación particular para funcionar. Estábamos atrapados con dispositivos que funcionarían igual de bien cuando se apuntaban hacia arriba, hacia abajo o en cualquier dirección ", dice Gopinath. Los dispositivos moleculares diseñados para secuenciar el ADN o medir proteínas tienen absolutamentepara aterrizar con el lado correcto hacia arriba, por lo que las técnicas más antiguas del equipo arruinarían el 50 por ciento de los dispositivos. Para los dispositivos que también requieren una orientación de rotación única, como los transistores, solo funcionaría el 16 por ciento.
El primer problema a resolver, entonces, fue lograr que el origami de ADN aterrizara de manera confiable con el lado correcto hacia arriba. "Es un poco como garantizar que las tostadas siempre caigan mágicamente con la mantequilla hacia arriba cuando se arrojan al piso", dice Rothemund.Los investigadores sorprendieron, cubrir el origami con una alfombra de hebras de ADN flexibles en un lado permitió que más del 95 por ciento de ellos aterrizaran boca arriba. Pero el problema de controlar la rotación persistió. Los triángulos rectángulos con tres longitudes de borde diferentes fueron el primer intento de los investigadores deuna forma que podría aterrizar en la rotación preferida.
Sin embargo, después de luchar para que solo el 40 por ciento de los triángulos rectángulos apunten en la orientación correcta, Gopinath reclutó a los informáticos Chris Thachuk de la Universidad de Washington, coautor del artículo de Science y ex postdoctorado de Caltech; y David Kirkpatrickde la Universidad de Columbia Británica, también coautor del artículo de Science. Su trabajo consistía en encontrar una forma que solo se atascara en la orientación deseada, sin importar en qué orientación aterrizara. La solución de los científicos informáticos fue unadisco con un agujero descentrado, que los investigadores denominaron una "luna pequeña". Las pruebas matemáticas sugirieron que, a diferencia de un triángulo rectángulo, las lunas pequeñas podrían rotar suavemente para encontrar la mejor alineación con su parche adhesivo sin atascarse. Los experimentos de laboratorio verificaron quemás del 98 por ciento de las lunas pequeñas encontraron la orientación correcta en sus parches pegajosos.
Luego, el equipo agregó moléculas fluorescentes especiales que se atascan firmemente en las hélices de ADN de las lunas pequeñas, perpendiculares al eje de las hélices. Esto aseguró que las moléculas fluorescentes dentro de una luna estuvieran todas orientadas en la misma dirección y brillarían másbrillantemente cuando se estimula con luz de una polarización particular. "Es como si cada molécula llevara una pequeña antena, que puede aceptar la energía de la luz de manera más eficiente solo cuando la polarización de la luz coincide con la orientación de la antena", dice Gopinath. Este simple efecto eslo que permitió la construcción de la flor sensible a la polarización.
Con métodos robustos para controlar la orientación hacia arriba y hacia abajo y la orientación rotacional del ADN origami, una amplia gama de dispositivos moleculares ahora pueden integrarse de manera económica en chips de computadora con alto rendimiento para una variedad de aplicaciones potenciales. Por ejemplo, Rothemund y Gopinath han fundadouna empresa, Palamedrix, para comercializar la tecnología para la construcción de chips semiconductores que permitan el estudio simultáneo de todas las proteínas relevantes para la salud humana. Caltech ha presentado solicitudes de patente para el trabajo.
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