(Phys.org) - Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Han descubierto que las hebras "enlazadoras" de ADN hacen que las varillas de tamaño nanométrico se alineen de una manera diferente a cualquier otra disposición espontánea de objetos en forma de varilla. La disposición, con las varillas formando "peldaños" en cintas en forma de escalera unidas por múltiples hebras de ADN, resulta de las interacciones colectivas de las ataduras de ADN flexibles y puede ser exclusiva de la nanoescala. La investigación, descrito en un artículo publicado en línea en ACS Nano , una revista de la American Chemical Society, podría resultar en la fabricación de nuevos materiales nanoestructurados con las propiedades deseadas.

"Este es un mecanismo de autoensamblaje completamente nuevo que no tiene análogos directos en el ámbito de los sistemas moleculares o de microescala, "dijo el físico de Brookhaven Oleg Gang, autor principal del artículo, quien llevó a cabo la mayor parte de la investigación en el Centro de Nanomateriales Funcionales del Laboratorio.

Amplias clases de objetos parecidos a varillas, que van desde moléculas hasta virus, a menudo exhiben un comportamiento típico de cristal líquido, donde las varillas se alinean con una dependencia direccional, a veces con los cristales alineados formando planos bidimensionales sobre un área determinada. Objetos en forma de varilla con fuerte direccionalidad y fuerzas de atracción entre sus extremos, lo que da como resultado, por ejemplo, a partir de la distribución de carga polarizada, a veces también puede alinearse de extremo a extremo formando cadenas lineales unidimensionales.

Ninguna disposición típica se encuentra en las nanovarillas atadas al ADN.

"Nuestro descubrimiento muestra que surge un régimen cualitativamente nuevo para los objetos a nanoescala decorados con ataduras moleculares flexibles de tamaños comparables, una disposición lineal unidimensional en forma de escalera que aparece en ausencia de afinidad de extremo a extremo entre las varillas, "Dijo Gang.

Alexei Tkachenko, el científico de CFN que desarrolló la teoría para explicar el arreglo excepcional, elaborado:"Sorprendentemente, el sistema tiene las tres dimensiones para vivir, sin embargo, elige formar lo lineal, cintas casi unidimensionales. Se puede comparar con cómo las dimensiones adicionales que suponen los físicos de alta energía se vuelven 'ocultas, 'para que nos encontremos en un mundo tridimensional ".

Tkachenko explica cómo la alineación en escalera resulta de una ruptura de simetría fundamental:

"Una vez que una nanovarilla se conecta a otra una al lado de la otra, pierde la simetría cilíndrica que tenía cuando tenía ataduras libres por todas partes. Luego, la siguiente nanovarilla se unirá preferentemente a otro lado de la primera, donde todavía hay enlazadores de ADN disponibles ".

ADN como pegamento

El uso de ADN sintético como una forma de pegamento molecular para guiar el ensamblaje de nanopartículas ha sido un enfoque central de la investigación de Gang en el CFN. Su trabajo anterior ha demostrado que las hebras de esta molécula, más conocida por llevar el código genético de los seres vivos, pueden unir nanopartículas cuando las hebras que llevan secuencias complementarias de bases de nucleótidos (conocidas por las letras A, T, GRAMO, y C) se utilizan como ataduras, o inhibir la unión cuando se utilizan hebras no emparejadas. El control cuidadoso de esas fuerzas atractivas e inhibidoras puede conducir a una ingeniería a nanoescala perfeccionada.

En el estudio actual, los científicos utilizaron nanobarras de oro y hebras simples de ADN para explorar arreglos hechos con ataduras complementarias unidas a varillas adyacentes. También examinaron los efectos de usar hebras de engarce de diferentes longitudes para que sirvan como pegamento de sujeción.

Después de mezclar las distintas combinaciones, estudiaron los arreglos resultantes usando espectroscopía ultravioleta-visible en el CFN, y también con dispersión de rayos X de ángulo pequeño en la fuente de luz sincrotrón nacional de Brookhaven (NSLS). También utilizaron técnicas para "congelar" la acción en varios puntos durante el ensamblaje y observaron esas fases estáticas utilizando microscopía electrónica de barrido para comprender mejor cómo progresaba el proceso a lo largo del tiempo.

Los diversos métodos de análisis confirmaron la disposición lado a lado de las nanovarillas dispuestas como peldaños en una cinta en forma de escalera durante las primeras etapas del ensamblaje. seguido más tarde por el apilamiento de las cintas y finalmente la agregación tridimensional a mayor escala debido a la formación de puentes de ADN entre las cintas.

Este proceso de montaje por etapas, llamado jerárquico, recuerda al autoensamblaje en muchos sistemas biológicos (por ejemplo, la unión de aminoácidos en cadenas seguido del posterior plegamiento de estas cadenas para formar proteínas funcionales).

La naturaleza escalonada del montaje sugirió al equipo que el proceso podría detenerse en las etapas intermedias. Usando hebras de ADN "bloqueadoras" para unir las ataduras libres restantes en las estructuras lineales en forma de cinta, demostraron su capacidad para prevenir las interacciones en etapas posteriores que forman estructuras agregadas.

"Detener el proceso de ensamblaje en la etapa de cinta en forma de escalera podría potencialmente aplicarse para la fabricación de estructuras lineales con propiedades de ingeniería, "Dijo Gang." Por ejemplo, controlando las propiedades plasmónicas o fluorescentes (las respuestas de los materiales a la luz) podríamos fabricar concentradores de luz a nanoescala o guías de luz, y poder cambiarlos a pedido ".