ADN la base molecular de la vida, tiene nuevos trucos bajo la manga. Las cuatro bases de las que se compone se encajan como piezas de rompecabezas y pueden manipularse artificialmente para construir formas infinitamente variadas en dos y tres dimensiones. La técnica, conocido como origami de ADN, promete llevar al mercado innovaciones biomédicas y microelectrónicas futuristas.

Hao Yan, investigador del Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona, ha trabajado durante muchos años para perfeccionar la técnica. Su objetivo es componer nuevos conjuntos de reglas de diseño, ampliando enormemente la gama de arquitecturas a nanoescala generadas por el método. En una nueva investigación, se describen una variedad de nanoformas innovadoras, cada uno con un control de diseño sin precedentes.

Yan es la Cátedra Distinguida de Química y Bioquímica de Milton D. Glick y dirige el Centro de Diseño Molecular y Biomimética de Biodesign.

En el estudio actual, Se han creado nano-formas complejas que muestran arquitecturas de estructura alámbrica arbitrarias, utilizando un nuevo conjunto de reglas de diseño. "Los métodos de diseño anteriores utilizaban estrategias que incluían la disposición paralela de las hélices de ADN para aproximar formas arbitrarias, pero el ajuste preciso de las arquitecturas de estructura de alambre de ADN que conectan vértices en el espacio 3D ha requerido un nuevo enfoque, "Yan dice.

Yan ha estado fascinado durante mucho tiempo con la capacidad aparentemente ilimitada de la naturaleza para la innovación en el diseño. El nuevo estudio describe estructuras alámbricas de alta complejidad y programabilidad, fabricado a través del control preciso de ramificación y curvatura, utilizando principios organizativos novedosos para los diseños. (Los wireframes son modelos esqueléticos tridimensionales representados puramente a través de líneas y vértices).

Las nanoformas resultantes incluyen matrices reticulares simétricas, estructuras cuasicristalinas, matrices curvilíneas, y un simple boceto de arte de alambre en la escala de 100 nm, así como objetos 3D, incluido un cubo chato con 60 aristas y 24 vértices y un sólido de Arquímedes reconfigurable que se puede controlar para realizar las transiciones de desplegado y replegado entre 3D y 2D.

La investigación aparece en la edición avanzada en línea de la revista. Nanotecnología de la naturaleza .

En investigaciones anteriores, el grupo Yan creó formas arquitectónicas sutiles a una escala asombrosamente diminuta, algunos miden sólo decenas de nanómetros de diámetro, aproximadamente el diámetro de una partícula de virus. Estos nano-objetos incluyen esferas, espirales, matraces Formas de Moebius, e incluso un robot autónomo con forma de araña capaz de seguir una pista de ADN preparada.

La técnica del origami de ADN aprovecha las propiedades simples de emparejamiento de bases del ADN, una molécula construida a partir de los cuatro nucleótidos adenina (A), Timina (T) Citosina (C) y (Guanina). Las reglas del juego son simples:las A siempre se emparejan con las T y las C con las G. Usando este vocabulario abreviado, se construyen los innumerables planos corporales de todos los organismos vivos; aunque duplicar incluso los diseños más simples de la naturaleza ha requerido un gran ingenio.

La idea básica del origami de ADN es utilizar una longitud de ADN monocatenario como andamio para la forma deseada. El apareamiento de bases de nucleótidos complementarios hace que la forma se pliegue y se autoensamble. El proceso está guiado por la adición de hebras de grapas más cortas, "que actúan para ayudar a doblar el andamio y mantener unida la estructura resultante. Se utilizan varias tecnologías de imágenes para observar las estructuras diminutas, incluyendo fluorescencia-, microscopía de fuerza electrónica y atómica.

Aunque el origami de ADN produjo originalmente nanoarquitecturas de interés puramente estético, Los refinamientos de la técnica han abierto la puerta a una gama de aplicaciones interesantes que incluyen jaulas moleculares para la encapsulación de moléculas, inmovilización y catálisis de enzimas, herramientas de detección química y biológica, mecanismos de administración de fármacos, y dispositivos de computación molecular.

La técnica descrita en el nuevo estudio lleva este enfoque un paso más allá, permitir a los investigadores superar las restricciones de simetría local, creando arquitecturas de estructura alámbrica con una arbitrariedad y complejidad de orden superior. Aquí, cada segmento de línea y vértice se diseña y controla individualmente. El número de brazos que emanan de cada vértice se puede variar de 2 a 10 y se pueden modificar los ángulos precisos entre los brazos adyacentes.

En el estudio actual, el método se aplicó por primera vez a simétricos, repitiendo regularmente diseños poligonales, incluyendo hexagonal, geometrías de baldosas cuadradas y triangulares. Estos diseños comunes se conocen como patrones de teselación.

Se utilizó una estrategia inteligente que incluía una serie de puentes y bucles para enrutar correctamente el tramo del andamio, permitiendo que pase a través de toda la estructura, tocando todas las líneas de la estructura alámbrica una sola vez. Luego se aplicaron hebras de grapas para completar los diseños.

En etapas posteriores, los investigadores crearon estructuras de alambre más complejas, sin la simetría de traslación local que se encuentra en los patrones de teselación. Se hicieron tres de esos patrones, incluyendo una forma de estrella, una loseta de Penrose de 5 pliegues y un patrón cuasicristalino de 8 pliegues. (Los cuasicristales son estructuras muy ordenadas pero no periódicas. Tales patrones pueden llenar continuamente el espacio disponible, pero no son traslacionalmente simétricas). También se utilizaron estructuras de bucle insertadas en hebras de grapas y nucleótidos no apareados en los puntos de vértice de las hebras de andamio, permitiendo a los investigadores realizar modificaciones de precisión en los ángulos de los brazos de unión.

Las nuevas reglas de diseño se probaron a continuación con el ensamblaje de nanoestructuras cada vez más complejas, que involucran vértices que van de 2 a 10 brazos, con muchos ángulos y curvaturas diferentes involucrados, incluyendo un patrón complejo de pájaros y flores. La precisión del diseño fue posteriormente confirmada por imágenes AFM, demostrando que el método podría producir con éxito nanoestructuras de ADN de estructura metálica altamente sofisticadas.

Luego, el método se adaptó para producir una serie de estructuras 3D también, incluyendo un cuboctaedro, y otro sólido arquimediano conocido como cubo chato:una estructura con 60 aristas, 24 vértices y 38 caras, incluyendo 6 cuadrados y 32 triángulos equiláteros. Los autores enfatizan que las nuevas innovaciones de diseño descritas se pueden utilizar para componer y construir cualquier nanoestructura de estructura metálica imaginable, un avance significativo para el campo floreciente.

En el horizonte, Es posible que algún día las estructuras a nanoescala puedan organizarse para cazar células cancerosas en el cuerpo o actuar como líneas de ensamblaje de robots para el diseño de nuevos fármacos.