A través de una técnica conocida como origami de ADN, los científicos han creado el nano motor de ADN más rápido y persistente hasta la fecha. Angewandte Chemie publicó los hallazgos, que proporcionan un plan para optimizar el diseño de motores a nanoescala, cientos de veces más pequeños que la célula humana típica.
"Los motores a nanoescala tienen un tremendo potencial para aplicaciones en biosensores, en la construcción de células sintéticas y también para la robótica molecular", dice Khalid Salaita, autor principal del artículo y profesor de química en la Universidad de Emory. "El origami de ADN nos permitió jugarcon la estructura del motor y descifrar los parámetros de diseño que controlan sus propiedades ".
El nuevo motor de ADN tiene forma de varilla y utiliza combustible de ARN para rodar persistentemente en línea recta, sin intervención humana, a velocidades de hasta 100 nanómetros por minuto. Eso es hasta 10 veces más rápido que los motores de ADN anteriores.
Salaita también forma parte de la facultad del Departamento de Ingeniería Biomédica Wallace H. Coulter, un programa conjunto del Instituto de Tecnología de Georgia y Emory. El documento es una colaboración entre el laboratorio de Salaita y Yonggang Ke, profesor asistente en la Facultad de Medicina de Emoryy el Departamento de Ingeniería Biomédica Wallace H. Coulter.
"Nuestro motor de ADN diseñado es rápido", dice Ke, "pero todavía tenemos un largo camino por recorrer para lograr la versatilidad y eficiencia de los motores biológicos de la naturaleza. En última instancia, el objetivo es hacer motores artificiales que coincidan con la sofisticación y la funcionalidadde proteínas que mueven la carga en las células y les permiten realizar diversas funciones "
Hacer cosas de ADN, apodado origami de ADN después de la artesanía tradicional japonesa de plegado de papel, aprovecha la afinidad natural para que las bases de ADN A, G, C y T se emparejen entre sí. Al moverse por la secuencia de letrasEn las hebras, los investigadores pueden hacer que las hebras de ADN se unan de formas que crean diferentes formas. La rigidez del origami de ADN también se puede ajustar fácilmente, por lo que permanecen rectos como un trozo de espagueti seco o se doblan y se enrollan como espaguetis hervidos.
El creciente poder computacional y el uso del autoensamblaje de ADN para la industria de la genómica han avanzado mucho en el campo del origami de ADN en las últimas décadas. Los usos potenciales de los motores de ADN incluyen dispositivos de administración de fármacos en forma de nanocápsulas que se abren cuandollegar a un sitio objetivo, nanocomputadoras y nanorobots que trabajan en líneas de ensamblaje a nanoescala.
"Estas aplicaciones pueden parecer ciencia ficción ahora, pero nuestro trabajo está ayudando a acercarlas a la realidad", dice Alisina Bazrafshan, candidata a doctorado en Emory y primera autora del nuevo artículo.
Uno de los mayores desafíos de los motores de ADN es el hecho de que las reglas que gobiernan el movimiento a nanoescala son diferentes a las de los objetos que los humanos pueden ver. Los dispositivos a escala molecular deben abrirse paso a través de un aluvión constante de moléculas. Estas fuerzas pueden causardispositivos tan pequeños que se desplazan al azar como granos de polen flotando en la superficie de un río, un fenómeno conocido como movimiento browniano.
La viscosidad de los líquidos también tiene un impacto mucho mayor en algo tan pequeño como una molécula, por lo que el agua se parece más a la melaza.
Muchos motores de ADN anteriores "caminan" con un movimiento mecánico de pierna sobre pierna. El problema es que las versiones de dos patas tienden a ser inherentemente inestables. Los motores de marcha con más de dos patas ganan estabilidad pero las patas adicionales los ralentizan.
Los investigadores de Emory resolvieron estos problemas diseñando un motor de ADN en forma de varilla que rueda. La varilla o "chasis" del motor consta de 16 hebras de ADN unidas en una pila de cuatro por cuatro para formar un haz con cuatrolados planos. Treinta y seis pedazos de ADN sobresalen de cada cara de la varilla, como pequeños pies.
Para impulsar su movimiento, el motor se coloca en una pista de ARN, un ácido nucleico con pares de bases que son complementarios a los pares de bases de ADN. El ARN tira de los pies de ADN en una cara del motor y los une a la pistaUna enzima que se dirige solo al ARN que está unido al ADN luego destruye rápidamente el ARN unido. Eso hace que el motor ruede, ya que los pies de ADN en la siguiente cara del motor son empujados hacia adelante por su atracción hacia el ARN.
El motor de ADN rodante forja un camino persistente, por lo que continúa moviéndose en línea recta, a diferencia del movimiento más aleatorio de los motores de ADN andantes. El movimiento de rodamiento también se suma a la velocidad del nuevo motor de ADN: puede recorrer la longitudde una célula madre humana en dos o tres horas. Los motores de ADN anteriores necesitarían aproximadamente un día para cubrir esa misma distancia, y la mayoría carece de la persistencia para llegar tan lejos.
Uno de los mayores desafíos fue medir la velocidad del motor a nanoescala. Ese problema se resolvió agregando etiquetas fluorescentes en cada extremo del motor de ADN y optimizando las condiciones de imagen en un microscopio fluorescente.
Mediante prueba y error, los investigadores determinaron que una forma rígida de varilla era óptima para moverse en línea recta y que 36 pies en cada cara del motor proporcionaban una densidad óptima para la velocidad.
"Proporcionamos una plataforma ajustable para motores de origami de ADN que otros investigadores pueden usar para diseñar, probar y optimizar motores para avanzar aún más en el campo", dice Bazrafshan. "Nuestro sistema le permite probar los efectos de todo tipo de variables, comocomo la forma y la rigidez del chasis y la cantidad y densidad de patas para ajustar su diseño ".
Por ejemplo, ¿qué variables darían lugar a un motor de ADN que se mueve en círculos? ¿O un motor que gira para rodear barreras? ¿O uno que gira en respuesta a un objetivo en particular?
"Esperamos que otros investigadores presenten otros diseños creativos basados en estos hallazgos", dice Bazrafshan.
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Materiales proporcionado por Ciencias de la salud de Emory . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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