El objetivo central de la nanotecnología es la manipulación de materiales a escala atómica o molecular, especialmente para construir dispositivos o estructuras microscópicas. Las jaulas tridimensionales son uno de los objetivos más importantes, tanto por su sencillez como por su aplicación como portadores de fármacos para la medicina. La nanotecnología del ADN utiliza moléculas de ADN como "Legos" programables para ensamblar estructuras con un control que no es posible con otras moléculas.

Sin embargo, la estructura del ADN es muy simple y carece de la diversidad de proteínas que componen la mayoría de las jaulas naturales, como virus. Desafortunadamente, es muy difícil controlar el ensamblaje de proteínas con la precisión del ADN. Es decir, hasta hace poco. Nicholas Stephanopoulos, profesor asistente en el Centro de Biodiseño de Diseño Molecular y Biomimética de la Universidad Estatal de Arizona, y la Facultad de Ciencias Moleculares, y su equipo construyó una jaula construida con bloques de construcción de proteínas y ADN mediante el uso de conjugados covalentes de proteína y ADN.

En un artículo publicado en ACS Nano , Stephanopoulos modificó una proteína homotrimérica (una enzima natural llamada KDPG aldolasa) con tres asas idénticas de ADN de una sola hebra funcionalizando un residuo de cisteína reactivo que introdujeron en la superficie de la proteína. Este "Lego" de proteína-ADN se ensambló conjuntamente con una estructura de ADN triangular que lleva tres brazos complementarios a los mangos, resultando en jaulas tetraédricas compuestas por seis lados de ADN cubiertos por el trímero de proteína. Las dimensiones de la jaula se pudieron ajustar a través del número de vueltas por brazo de ADN y las estructuras híbridas se purificaron y caracterizaron para confirmar la estructura tridimensional.

Las jaulas también se modificaron con ADN utilizando química de clic, que es un tipo de química personalizada, para crear elementos rápidamente con gran fiabilidad uniendo unidades microscópicas, demostrando la generalidad del método.

"El enfoque de mi laboratorio permitirá la construcción de nanomateriales que posean las ventajas de la nanotecnología de proteínas y ADN, y encontrar aplicaciones en campos como la entrega dirigida, biología estructural, biomedicina, y materiales catalíticos, "Dijo Stephanopoulos.

Stephanopoulos y su equipo ven una oportunidad con las jaulas híbridas, que fusionan bloques de construcción de proteínas autoensamblables con un andamio de ADN sintético, que podrían combinar la bioactividad y la diversidad química de las primeras con la programabilidad de las últimas. Y eso es lo que se propusieron crear:una estructura híbrida construida mediante la conjugación química de oligonucleótidos (una cadena de ADN sintético) en un bloque de construcción de proteínas. La base triangular que lleva tres mangos complementarios de ADN monocatenario se autoensambla y se purifica por separado calentándola para alterar sus propiedades.

"Pensamos que al diseñar estos dos bloques de construcción purificados, se juntarían espontáneamente de una manera programable, utilizando las propiedades de reconocimiento de los mangos de ADN, "Dijo Stephanopoulos." Era especialmente crítico usar una proteína altamente estable térmicamente como esta aldolasa, porque este autoensamblaje solo funciona a 55 grados centígrados, y muchas proteínas se deshacen a esas temperaturas ".

Otra ventaja del ADN, que no es posible con proteínas, está ajustando el tamaño de la jaula sin tener que rediseñar todos los componentes. Stephanopoulos continuó, "El tamaño de este conjunto podría entonces ajustarse racionalmente cambiando la longitud de cada borde de ADN, mientras que la proteína proporcionaría un andamio para la unión de moléculas pequeñas, dirigidos a péptidos o incluso proteínas de fusión ".

Si bien existen otros ejemplos de estructuras híbridas, esta jaula en particular es la primera que se construye mediante la conjugación química de mangos de oligonucleótidos en un bloque de construcción de proteínas. Esta estrategia puede, en principio, expandirse a una amplia gama de proteínas (algunas con capacidad para atacar el cáncer, por ejemplo). Por lo tanto, El trabajo de Stephanopoulos tiene el potencial de permitir un campo híbrido completamente nuevo de nanotecnología proteína-ADN con aplicaciones que no son posibles ni con proteínas ni con ADN solo.