• Home
  • Química
  • Astronomía
  • Energía
  • Naturaleza
  • Biología
  • Física
  • Electrónica
  • El diseño de arriba hacia abajo da vida a nuevas estructuras de ADN

    La línea en negrita, conocido como árbol de expansión, sigue la forma geométrica deseada, tocando cada vértice solo una vez. Se utiliza un algoritmo de árbol de expansión en el nuevo método de origami de ADN para trazar la ruta de enrutamiento adecuada para la cadena de ADN. Crédito:dominio público

    Entre las valiosas propiedades de la Wellcome Library de Londres se encuentra un boceto a lápiz realizado en 1953 por Francis Crick. El dibujo es uno de los primeros en mostrar la estructura de doble hélice del ADN:el plano de la naturaleza para el diseño de caracoles marinos. seres humanos, y todas las demás formas vivientes de la tierra.

    Sin embargo, pocos podrían haberlo predicho, que las propiedades simples de autoensamblaje del ADN, y su versátil capacidad de transporte de información, podría ser utilizado para muchos usos nunca imaginados por Watson y Crick, (o de hecho, por la propia Naturaleza).

    En una nueva investigación que aparece en la edición avanzada en línea de la revista. Ciencias , Mark Bathe, junto con sus colegas Hao Yan de ASU y Wah Chiu de Baylor College of Medicine describen un nuevo método para diseñar formas geométricas construidas a partir de ADN. Presentan una variante novedosa de una técnica conocida como origami de ADN, en el que las propiedades de emparejamiento de bases del ADN se explotan para la construcción de estructuras diminutas en 2 y 3 dimensiones.

    "Un desafío importante en el campo de la nanotecnología del ADN es diseñar cualquier estructura deseable de arriba hacia abajo, sin mucha participación humana sobre los detalles de las trayectorias de plegado de las hebras de ADN, "Yan dice.

    Sus colaboradores en el MIT, dirigido por Mark Bathe, desarrolló un algoritmo informático para diseñar nanoestructuras de ADN introduciendo solo una forma objetivo. Diseñaron una plataforma de software que puede calcular y generar cadenas de ADN necesarias para formar arquitecturas de diseñador. Posteriormente, la formación de estas estructuras se caracterizó sistemáticamente y se confirmó experimentalmente en los tres institutos. "Esto realmente muestra la ciencia colaborativa interdisciplinaria en todo el país, "Yan dice

    Yan dirige el Centro de Biodiseño para Diseño Molecular y Biomimética en la Universidad Estatal de Arizona.

    Otros mundos

    El equipo diseña estructuras útiles a una escala asombrosamente diminuta. (Un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro o aproximadamente el tamaño de una molécula de azúcar). Técnicas de imágenes especializadas, incluyendo microscopía de fuerza atómica y crioelectrónica se utilizan para visualizar las formas resultantes.

    La técnica simplificada descrita promete extender significativamente el uso del origami de ADN más allá de la comunidad de especialistas y ampliar la gama de posibles aplicaciones en la ciencia biomolecular y la nanotecnología. Estos incluyen el uso de nanopartículas para la administración de fármacos y la focalización celular, construcción de robots a nanoescala capaces de realizar diversas actividades en la medicina e industria y el diseño de dispositivos ópticos a medida.

    Una de las innovaciones más interesantes en el horizonte implica el uso de ADN como medio de almacenamiento, uno que cuenta con tiempos de retención de millones de años. (Un solo gramo de ADN puede almacenar alrededor de 700 terabytes de información, una cantidad equivalente a 14, 000 discos Blu-ray de 50 gigabytes. Más lejos, tal memoria de ácido nucleico podría funcionar potencialmente con una fracción de la energía requerida para otras opciones de almacenamiento de información).

    Cambio de forma

    El nuevo método de diseño, que puede producir prácticamente cualquier forma poliédrica, se basa en una estrategia de arriba hacia abajo, que comienza con un esquema de la forma deseada y trabaja hacia atrás en etapas para definir la secuencia de ADN requerida que se plegará adecuadamente para formar el producto terminado.

    La ilustración muestra el proceso básico utilizado para diseñar nanoestructuras de origami de ADN. Primero, Se hace una estructura alámbrica del diseño de destino previsto. Luego, el software traduce esto en un plan para el enrutamiento del andamio de ADN y las hebras de grapas, que se ensamblan para formar la forma deseada. Crédito:Instituto Biodesign

    El proceso autónomo se lleva a cabo mediante un programa informático diseñado por los autores. Conocido como DAEDALUS (para el algoritmo de diseño de secuencia de ADN Origami para estructuras definidas por el usuario), el programa lleva a cabo el diseño inverso de nanoformas de origami de ADN arbitrarias, basado en una malla de alambre de entrada, (una representación visual de lo cerrado, Superficie geométrica tridimensional).

    El programa no solo es fácil de usar, pero muy versátil, producir formas no limitadas a la topología esférica, (es decir., cerrado, estructuras de dos caras sin límites ni huecos). Una vez que la forma de destino se ha descrito como una red de nodos y bordes, Las hebras de andamio de ADN de longitud y secuencia personalizadas se generan utilizando tecnología conocida como reacción en cadena de la polimerasa asimétrica.

    El nuevo estudio describe la fabricación de una variedad de objetos geométricos de ADN, incluyendo 35 formas poliédricas (platónicas, Arquímedes Johnson y sólidos catalanes) 6 estructuras asimétricas, y cuatro poliedros con topología no esférica, utilizando principios de diseño inverso. El método puede producir nanoformas con alta fidelidad y estabilidad sin el laborioso proceso normal de diseñar manualmente pares de bases para formar la estructura objetivo deseada.

    Entrando en el redil

    El origami de ADN lleva el antiguo método japonés de plegado de papel a la escala molecular. Los conceptos básicos son simples:tome una longitud de ADN monocatenario y guíelo en la forma deseada, Fijación de la estructura mediante los llamados hilos de grapas más cortos, que se unen en lugares estratégicos a lo largo de la mayor longitud del ADN. El método se basa en el hecho de que las cuatro letras de nucleótidos del ADN:A, T, C, &G se mantienen unidos de manera consistente; Como siempre, emparejar con Ts y Cs con Gs.

    La molécula de ADN en su característica forma bicatenaria es bastante rígida, en comparación con el ADN monocatenario, que es flexible. Por esta razón, El ADN monocatenario lo convierte en un material de andamio similar a un cordón ideal. Más lejos, sus propiedades de emparejamiento son predecibles y consistentes, (a diferencia del ARN, que se considera promiscuo, debido a emparejamientos de bases que pueden ser inesperados).

    La técnica ha demostrado ser un gran éxito en la creación de innumerables formas en 2 y 3 dimensiones, que se autoensamblan convenientemente cuando las secuencias de ADN diseñadas se mezclan. La parte complicada es preparar la secuencia de ADN adecuada y el diseño de enrutamiento para el andamiaje y las hebras de grapas con el fin de lograr la estructura objetivo deseada. Típicamente, este es un trabajo minucioso que debe realizarse manualmente.

    Con la nueva técnica, la estructura objetivo se describe primero en términos de una malla de alambre hecha de poliedros. De esto, se genera un algoritmo de árbol de expansión. Este es básicamente un mapa que guiará automáticamente el enrutamiento de la hebra del andamio de ADN a través de toda la estructura del origami. tocando cada vértice en la forma geométrica, una vez. Luego se asignan hebras de grapas complementarias y la forma final se autoensambla.

    Para probar el método, formas más simples conocidas como sólidos platónicos se fabricaron por primera vez, seguido de estructuras cada vez más complejas. Estos incluían objetos con topologías no esféricas y detalles internos inusuales, que nunca antes se había realizado experimentalmente.

    Los diseños terminados demostraron la capacidad de la técnica de arriba hacia abajo para generar automáticamente rutas de grapas y andamios para una amplia gama de nanoformas. basado únicamente en la geometría de la superficie. Se utilizó Cryo-EM para confirmar la fidelidad estructural y la estabilidad de las estructuras de origami ensambladas.

    Otros experimentos confirmaron que las estructuras de ADN producidas eran potencialmente adecuadas para aplicaciones biológicas, ya que mostraban estabilidad a largo plazo en suero y condiciones bajas en sal.

    La investigación allana el camino para el desarrollo de sistemas diseñados a nanoescala que imitan las propiedades de los virus, organismos fotosintéticos y otros productos sofisticados de la evolución natural.

    Además de su nombramiento en el Biodesign Institute, Hao Yan es el profesor distinguido de Milton D. Glick, Facultad de Artes y Ciencias Liberales, Facultad de Ciencias Moleculares de ASU.


    © Ciencia https://es.scienceaq.com