Cada año, los robots se vuelven cada vez más realistas. Las abejas que funcionan con energía solar vuelan en alas ágiles, los humanoides hacen volteretas hacia atrás y los equipos de robots de fútbol elaboran estrategias sobre cómo driblear, pasar y anotar. Y cuanto más descubren los investigadores sobre cómoLas criaturas vivientes se mueven, más máquinas pueden imitarlas hasta sus moléculas más pequeñas.
"Ya tenemos estas máquinas increíbles en nuestros cuerpos y funcionan muy bien", dijo Pallav Kosuri. "Simplemente no sabemos exactamente cómo funcionan".
Durante décadas, los investigadores han buscado formas de estudiar cómo las máquinas biológicas impulsan a los seres vivos. Cada movimiento mecánico, desde la contracción de un músculo hasta la replicación del ADN, se basa en motores moleculares que dan pasos diminutos y casi indetectables.
Tratar de verlos moverse es como intentar ver un partido de fútbol en la luna.
Ahora, en un estudio reciente publicado en Naturaleza , un equipo de investigadores que incluye a Xiaowei Zhuang, el profesor de ciencia David B. Arnold en la Universidad de Harvard y un investigador del Instituto Médico Howard Hughes, y el becario postdoctoral de Zhuang Lab Pallav Kosuri y Benjamin Altheimer, un estudiante de doctorado en el posgradoSchool of Arts and Sciences, capturó los primeros pasos de rotación registrados de un motor molecular a medida que se movía de un par de bases de ADN a otro.
En colaboración con Peng Yin, profesor del Instituto Wyss y la Escuela de Medicina de Harvard, y su estudiante graduado Mingjie Dai, el equipo combinó el origami de ADN con el seguimiento de una sola molécula de alta precisión, creando una nueva técnica llamada ORBIT - origamiimágenes y seguimiento basados en rotores, para observar las máquinas moleculares en movimiento.
En nuestros cuerpos, algunos motores moleculares marchan directamente a través de las células musculares, lo que hace que se contraigan. Otros reparan, replican o transcriben el ADN: estos motores que interactúan con el ADN pueden agarrarse a una hélice de doble hebra y subir de una base a la siguiente.como subir una escalera de caracol.
Para ver estas mini máquinas en movimiento, el equipo quiso aprovechar el movimiento de torsión: primero, pegaron el motor que interactúa con el ADN a un soporte rígido. Una vez fijado, el motor tuvo que girar la hélice para llegar desde una basea la siguiente. Entonces, si pudieran medir cómo gira la hélice, podrían determinar cómo se mueve el motor.
Pero todavía había un problema: cada vez que un motor se mueve a través de un par de bases, la rotación cambia el ADN en una fracción de nanómetro. Ese cambio es demasiado pequeño para resolverlo incluso con los microscopios de luz más avanzados.
Dos bolígrafos en forma de hélices de helicópteros provocaron una idea para resolver este problema: una hélice sujeta al ADN giratorio se movería a la misma velocidad que la hélice y, por lo tanto, el motor molecular. Si pudieran construir un helicóptero de ADN, lo suficientemente grandes como para permitir la visualización de las palas del rotor oscilante, podrían capturar el movimiento esquivo del motor en la cámara.
Para construir hélices del tamaño de una molécula, Kosuri, Altheimer y Zhuang decidieron usar el origami de ADN. Usado para crear arte, entregar medicamentos a las células, estudiar el sistema inmunológico y más, el origami de ADN implica manipular hebras para unirlas en formas hermosas y complicadasfuera de la doble hélice tradicional.
"Si tienes dos hebras complementarias de ADN, se cierran", dijo Kosuri. "Eso es lo que hacen". Pero, si una hebra se altera para complementar una hebra en una hélice diferente, se pueden encontrar y cerraren cambio, tejiendo nuevas estructuras.
Para construir sus hélices de origami, el equipo recurrió a Peng Yin, un pionero de la tecnología de origami. Con la guía de Yin y su estudiante graduado Dai, el equipo tejió casi 200 piezas individuales de fragmentos de ADN en una forma similar a una hélice de 160 nanómetros ende longitud. Luego, unieron hélices a una doble hélice regular y alimentaron el otro extremo a RecBCD, un motor molecular que desabrocha el ADN. Cuando el motor comenzó a funcionar, hizo girar el ADN, girando la hélice como un sacacorchos.
"Nadie había visto que esta proteína realmente rotara el ADN porque se mueve súper rápido", dijo Kosuri.
El motor puede moverse a través de cientos de bases en menos de un segundo. Pero, con sus hélices de origami y una cámara de alta velocidad funcionando a mil cuadros por segundo, el equipo finalmente pudo registrar los rápidos movimientos de rotación del motor.
"Muchos procesos críticos en el cuerpo involucran interacciones entre proteínas y ADN", dijo Altheimer. Comprender cómo funcionan estas proteínas, o no funcionan, podría ayudar a responder preguntas biológicas fundamentales sobre la salud y las enfermedades humanas.
El equipo comenzó a explorar otros tipos de motores de ADN. Uno, la ARN polimerasa, se mueve a lo largo del ADN para leer y transcribir el código genético en ARN. Inspirado por investigaciones anteriores, el equipo teorizó que este motor podría rotar el ADN en pasos de 35 grados,correspondiente al ángulo entre dos bases nucleotídicas vecinas.
ORBIT demostró que tenían razón: "Por primera vez, hemos podido ver las rotaciones de un solo par de bases que subyacen a la transcripción del ADN", dijo Kosuri. Esos pasos de rotación son, como se predijo, alrededor de 35 grados.
Millones de hélices de ADN autoensambladas pueden caber en un solo portaobjetos de microscopio, lo que significa que el equipo puede estudiar cientos o incluso miles de ellos a la vez, usando solo una cámara conectada a un microscopio. De esa manera, pueden comparar y contrastar cómolos motores individuales realizan su trabajo.
"No hay dos enzimas que sean idénticas", dijo Kosuri. "Es como un zoológico".
Una proteína motora podría adelantarse mientras que otra retrocede momentáneamente. Sin embargo, otra podría detenerse en una base por más tiempo que en cualquier otra. El equipo aún no sabe exactamente por qué se mueven como lo hacen. Armado con ORBIT, pronto podría hacerlo.
ORBIT también podría inspirar nuevos diseños de nanotecnología alimentados con fuentes de energía biológica como ATP. "Lo que hemos hecho es una nanomáquina híbrida que utiliza componentes diseñados y motores biológicos naturales", dijo Kosuri. Un día, tal tecnología híbrida podría ser lafundamento literal para los robots de inspiración biológica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Harvard . Original escrito por Caitlin McDermott-Murphy. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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