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  • Imágenes de bloques de construcción de ADN flexibles individuales en 3-D

    Una colección de 120 imágenes tridimensionales de enlaces de Bennett. Las imágenes se crearon mediante tomografía electrónica de partículas individuales (IPET), una técnica desarrollada en Berkeley Lab. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley

    En la última década, Los investigadores han estado trabajando para crear materiales y dispositivos a nanoescala utilizando ADN como materiales de construcción a través de un proceso llamado "origami de ADN".

    Una sola hebra larga de ADN "andamio" se puede plegar en formas específicas mediante cientos de hebras más cortas, por ejemplo. El orden de las bases en cada hebra corta actúa como un modelo que dicta el ADN final del andamio, Forma tridimensional.

    Los científicos esperan utilizar este método para desarrollar dispositivos moleculares que funcionen como máquinas a nanoescala o dispositivos de administración de fármacos. marcadores para imágenes médicas o investigación biológica, y componentes para dispositivos electrónicos.

    Andamios de ADN largos:compuestos por más de 10, 000 unidades estructurales de ADN llamadas "nucleótidos" - han seguido siendo difíciles de fabricar y manipular, lo que hasta ahora ha limitado el tamaño de las estructuras de origami. También ha resultado difícil estudiar la estructura tridimensional de estas nanopartículas en su forma natural, estado flexible.

    Ahora, por primera vez, un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Laboratorio de Berkeley) y la Universidad Estatal de Ohio han generado imágenes tridimensionales a partir de 129 moléculas individuales de partículas de origami de ADN flexibles. Su trabajo proporciona la primera verificación experimental del modelo teórico del origami de ADN.

    Los métodos utilizados aquí podrían aplicarse fácilmente a otros tipos de estructuras de origami de ADN fabricadas, y ayudar a informar el diseño y la optimización de estructuras futuras. Su trabajo fue publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza .

    Un esquema de un enlace de Bennett y una simulación de modelo que muestra el enlace de Bennett hecho de ADN. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley

    El equipo de investigación se centró en las estructuras de ADN modeladas a partir de un mecanismo básico llamado "enlace de Bennett, "que es una estructura 3-D que consta de una cadena de cuatro varillas conectadas por bisagras. Esto crea una forma de cuadrilátero sesgada en la que las bisagras no son paralelas o alineadas. Usando los enlaces de Bennett como bloques de construcción, es posible crear expansibles, estructuras útiles, como soportes para carpas que se pueden montar rápidamente.

    Las estructuras de origami de ADN son muy difíciles de estudiar porque son muy flexibles y delicadas, y cada molécula tiene una forma tridimensional única. Esta variabilidad hace que los métodos de imágenes convencionales, como microscopía crioelectrónica de una sola partícula (crio-EM), menos adecuado. Cryo-EM implica un extenso "promediado" informático de miles a cientos de miles de moléculas similares. Como resultado, la información sobre las partes flexibles de las estructuras de origami de ADN se puede promediar fácilmente, dando una imagen incompleta de la estructura.

    Los investigadores se basaron en una técnica desarrollada en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, una instalación de investigación para la ciencia a nanoescala, para obtener imágenes de las moléculas individuales que componen estas estructuras. El método, llamada tomografía electrónica de partículas individuales (IPET), toma fotografías de una molécula objetivo desde múltiples ángulos de visión, y luego combina estas imágenes para crear una 3D, representación de molécula completa, similar a cómo funciona una tomografía computarizada (TC) médica.

    Los investigadores capturaron 129 imágenes en 3-D, con una resolución de 6 a 14 nanómetros, que les permitió extraer información sobre la dinámica y la flexibilidad de las estructuras de origami de ADN.

    "Las reconstrucciones confirmaron que los vínculos de Bennett tienen un alto grado de diversidad estructural, "dijo Gang" Gary "Ren, científico de planta en la instalación de imágenes de Molecular Foundry y co-líder del estudio.

    Un análisis geométrico de estas reconstrucciones muestra que las conformaciones de los mecanismos de enlace de Bennett están en buen acuerdo con los modelos teóricos. Cuando los vínculos están cerca de su estado "abierto", la "bisagra" está casi completamente extendida. Cuando las estructuras están más cerca de su conformación "cerrada", las estructuras adoptan diferentes formas y son extremadamente flexibles y distorsionadas.

    "Según estos resultados y las visualizaciones del modelo de los vínculos de Bennett, podemos proponer una nueva estrategia para mejorar nuestro control de los enlaces de Bennett en grandes andamios de ADN, ", dijo Ren." El enfoque incluye rediseñar las secuencias de ADN cerca de las articulaciones para endurecer la estructura y evitar que se distorsione cerca de esta articulación ".


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