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  • Kit de herramientas de diseñadores para nanomáquinas de ADN dinámicas

    Impresión artística de componentes de ADN complementarios a la forma que se autoensamblan en maquinaria a nanoescala. Crédito:C. Hohmann / NIM

    Los últimos nanodispositivos de ADN creados en la Technische Universitaet Muenchen (TUM), incluido un robot con brazos móviles, un libro que se abre y se cierra, un engranaje conmutable, y un actuador, pueden ser intrigantes por derecho propio, pero ese no es el punto. Demuestran un gran avance en la ciencia del uso del ADN como material de construcción programable para estructuras y máquinas a escala nanométrica. Resultados publicados en la revista Ciencias revelan un nuevo enfoque para unir y reconfigurar unidades de construcción modulares en 3D, uniendo formas complementarias en lugar de unir cadenas de pares de bases. Esto no solo abre el camino para nanomáquinas prácticas con partes móviles, pero también ofrece un conjunto de herramientas que facilita la programación de su autoensamblaje.

    El campo conocido popularmente como "origami de ADN, "en referencia al arte tradicional japonés de doblar papel, avanza rápidamente hacia aplicaciones prácticas, según TUM Prof. Hendrik Dietz. A principios de este mes, Dietz fue galardonado con el premio de investigación más importante de Alemania, el premio Gottfried Wilhelm Leibniz, por su papel en este progreso.

    En años recientes, Dietz y su equipo han sido responsables de los principales pasos en la dirección de las aplicaciones:dispositivos experimentales que incluyen un canal de membrana sintético hecho de ADN; descubrimientos que reducen el tiempo necesario para los procesos de autoensamblaje de una semana a unas pocas horas y permiten rendimientos cercanos al 100%; prueba de que se pueden montar estructuras extremadamente complejas, como fue diseñado, con precisión subnanométrica.

    Sin embargo, todos esos avances emplearon el "emparejamiento de bases" para determinar cómo las hebras individuales y los conjuntos de ADN se unirían con otros en la solución. Lo nuevo es el "pegamento".

    "Una vez que construyes una unidad con pares de bases, "Dietz explica, "Es difícil separarse. Por lo tanto, las estructuras dinámicas creadas con ese enfoque tendían a ser estructuralmente simples". Para habilitar una gama más amplia de nanomáquinas de ADN con partes móviles y capacidades potencialmente útiles, el equipo adaptó dos técnicas más del conjunto de herramientas biomoleculares de la naturaleza:la forma en que las proteínas utilizan la complementariedad de formas para simplificar el acoplamiento con otras moléculas, y su tendencia a formar enlaces relativamente débiles que pueden romperse fácilmente cuando ya no se necesitan.

    Flexibilidad bioinspirada

    Para los experimentos reportados en Ciencias , Dietz y sus coautores, los candidatos a doctorado Thomas Gerling y Klaus Wagenbauer, y la estudiante de licenciatura Andrea Neuner de la Escuela de Ingeniería de Munich de TUM, se inspiraron en un mecanismo que permite que las moléculas de ácido nucleico se unan a través de interacciones más débiles que el emparejamiento de bases. En naturaleza, se pueden formar enlaces débiles cuando la enzima RNasa P basada en ARN "reconoce" el llamado ARN de transferencia; las moléculas son guiadas a un rango suficientemente cercano, como atracar naves espaciales, por sus formas complementarias.

    Autoensamblaje, 'nanorobot' de ADN reconfigurable como se diseñó (arriba) y como se observó mediante microscopía electrónica de transmisión (abajo). Crédito:H. Dietz / TUM

    La nueva tecnología del laboratorio de Dietz imita este enfoque. Para crear una nanomáquina de ADN dinámica, los investigadores comienzan programando el autoensamblaje de bloques de construcción en 3D que tienen la forma de encajar entre sí. Un débil, El mecanismo de unión de corto alcance llamado apilamiento de nucleobase se puede activar para encajar estas unidades en su lugar. Hay tres métodos diferentes disponibles para controlar la forma y la acción de los dispositivos fabricados de esta manera.

    "Lo que esto nos ha proporcionado es una jerarquía escalonada de fortalezas de interacción, "Dietz dice, "y la capacidad de posicionar, precisamente donde los necesitamos, dominios estables que puedan reconocer e interactuar con socios vinculantes". El equipo produjo una serie de dispositivos de ADN, que van desde filamentos a escala micrométrica que podrían prefigurar "flagelos" tecnológicos hasta máquinas a nanoescala con partes móviles, para demostrar las posibilidades y comenzar a probar los límites.

    Por ejemplo, micrografías electrónicas de transmisión de un tridimensional, Los robots humanoides a nanoescala confirman que las piezas encajan exactamente como se diseñaron. Además, muestran cómo un método de control simple, cambiando la concentración de iones positivos en la solución, puede cambiar activamente entre diferentes configuraciones:ensambladas o desmontadas, con los "brazos" abiertos de par en par o descansando al costado del robot.

    Otro método para cambiar un nanodispositivo de ADN entre sus diferentes estados estructurales, simplemente aumentando y disminuyendo la temperatura, demostró ser especialmente robusto. Para generaciones anteriores de dispositivos, esto requirió separar y volver a unir los pares de bases de ADN, y así los sistemas se "desgastaron" por dilución y reacciones secundarias después de unos pocos ciclos de conmutación. Un actuador similar a una tijera descrito en el artículo actual se sometió a más de mil ciclos de cambio de temperatura durante un período de cuatro días sin signos de degradación.

    "El ciclo de temperatura es una forma de poner energía en el sistema, "Dietz agrega, "Entonces, si la transición conformacional reversible pudiera acoplarse a algún proceso en continua evolución, Básicamente, ahora tenemos una forma no solo de construir nanomáquinas, sino también para darles energía ".

    "Un chasquido", como un juego de niños

    Existe otra dimensión más en la flexibilidad obtenida al agregar componentes de forma complementaria y enlaces débiles al conjunto de herramientas de nanotecnología de ADN. Programar el autoensamblaje solo mediante el emparejamiento de bases es como escribir código de computadora en lenguaje de máquina. La esperanza es que este nuevo enfoque haga más fácil doblar el origami de ADN hacia fines prácticos, De la misma manera, el advenimiento de los lenguajes de programación de computadoras de alto nivel impulsó los avances en la ingeniería de software.

    Dietz lo compara con la construcción con juguetes para niños como LEGO:"Diseñas los componentes para que sean complementarios, y eso es. No más juguetear con secuencias de pares de bases para conectar componentes ".


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