Usando una técnica conocida como origami de ADN, El biofísico Hendrik Dietz ha estado construyendo objetos a escala nanométrica durante varios años en la Universidad Técnica de Munich (TUM). Ahora, Dietz y su equipo no solo han salido del reino nanométrico para construir objetos más grandes, pero también han reducido mil veces los costes de producción. Estas innovaciones abren una frontera completamente nueva para la tecnología.

Los virus encapsulan su material genético en una capa que comprende una serie de bloques de construcción de proteínas idénticos. La cápsula del virus de la hepatitis B, por ejemplo, comprende 180 subunidades idénticas, un caso típico de construcción "prefabricada" desplegada frecuentemente en la naturaleza.

El equipo dirigido por Hendrik Dietz, El profesor de Nanotecnología Biomolecular en la TU de Munich ahora ha transferido los principios de construcción viral a la tecnología de origami de ADN. Esto les permite diseñar y construir estructuras a la escala de virus y orgánulos celulares.

La tecnología se basa en una hebra única larga que se adjunta a una estructura de doble hebra mediante secuencias de grapas cortas. "La estructura de doble hebra es energéticamente lo suficientemente estable como para que podamos forzar la hebra simple en casi cualquier forma utilizando contrapartes elegidas apropiadamente, ", explica Hendrik Dietz." De esta manera podemos diseñar con precisión objetos en la computadora que tienen un tamaño de unos pocos nanómetros ".

Engranajes para nanomotores

El laboratorio de Dietz dispone de técnicas que les permiten modificar e insertar funcionalidades químicas en los objetos añadiendo grupos laterales. Pero, hasta ahora, el tamaño de los objetos permaneció en el reino nanométrico. En la revista científica Naturaleza , el equipo ahora describe cómo se pueden construir estructuras más grandes utilizando piezas prefabricadas.

Para tal fin, primero crearon nano-objetos en forma de V. Estos tienen sitios de unión de forma complementaria en sus lados, permitiéndoles unirse entre sí de forma autónoma mientras flotan en una solución. Dependiendo del ángulo de apertura, forman "engranajes" con un número controlado de radios.

"Nos emocionó observar eso, casi sin excepción, anillos formados según lo definido por el ángulo de apertura, ", dice Hendrik Dietz." Lo decisivo para la capacidad de construir objetos de este tamaño y complejidad es la precisión y rigidez de los bloques de construcción individuales. Tuvimos que reforzar elementos individuales con travesaños, por ejemplo."

Construcción de microtubos

Para aprovechar aún más el principio de construcción, el equipo creó nuevos bloques de construcción que tenían "juntas adhesivas" no solo en los lados, pero también ligeramente más débiles en la parte superior e inferior. Esto permite que los "nano-engranajes" formen tubos largos utilizando los sitios de acoplamiento adicionales en un segundo paso.

"Con longitudes de un micrómetro y un diámetro de varios cientos de nanómetros, estos tubos han alcanzado el tamaño de algunas bacterias, "explica Hendrik Dietz." Y podemos utilizar la arquitectura de elementos individuales para determinar características de la estructura general ".

Construcción de estructuras poliédricas

Inspirado por las simetrías y el diseño jerárquico de los virus, los investigadores también intentaron construir estructuras de jaulas cerradas. "Una posible aplicación futura de las jaulas artificiales es el transporte de medicamentos en el cuerpo, "explica Hendrik Dietz." Aquí, el objetivo es liberar agentes activos solo en ubicaciones específicas deseadas, perdonando el resto del cuerpo ".

Utilizando los principios ya aplicados a las estructuras descritas anteriormente, El equipo ahora construyó nuevos elementos que esperaban que se ensamblaran de manera autolimitante en estructuras de jaulas en las condiciones adecuadas. De acuerdo con estas estrategias, una sección media triangular y tres elementos en forma de V dan lugar a un elemento de construcción de tres puntas.

Dependiendo del ángulo de apertura de la V, un número definido de estas unidades se fusionan para formar tetraédrica, estructuras hexaédricas o dodecaédricas en un segundo paso. Las estructuras finales integran hasta 1,8 millones de pares de bases de ADN direccionables en posiciones definidas por el usuario. Por primera vez, estas jaulas de tamaño discreto alcanzan pesos moleculares y tamaños comparables a los de los virus y los orgánulos de células pequeñas.

Producción en masa rentable

Hasta la fecha, Los procesos de fabricación han limitado el ámbito de aplicación a aquellos que requieren solo pequeñas cantidades de material. El hecho de que sólo se puedan fabricar unos pocos microgramos con métodos convencionales excluye muchas aplicaciones potenciales de la ciencia médica y de los materiales.

El cuello de botella son las hebras cortas que deben producirse químicamente base por base. La hebra principal obtenida de bacteriófagos, por otra parte, se puede producir a gran escala mediante procesos biotecnológicos.

Es por eso que el equipo dirigido por Hendrik Dietz refinó las llamadas enzimas de ADN, un descubrimiento derivado de la biotecnología sintética. Estas son hebras de ADN que se rompen en posiciones específicas cuando se exponen a una alta concentración de iones de zinc.

Unieron las secuencias de grapas cortas a una cadena larga usando dos enzimas de ADN modificadas cada una. "Una vez ensamblados con precisión con una secuencia de bases específica, estas hebras combinadas se pueden reproducir en un proceso biotecnológico, como ocurre con las hebras simples de ADN de bacteriófago, "dice Dietz, explicando la característica clave del proceso.

Producción biotecnológica a gran escala

Tanto la hebra principal como la secundaria, que comprende las enzimas de ADN y las secuencias de grapas, se produjeron con éxito mediante un proceso de alta densidad celular con bacterias. El proceso es escalable y, por lo tanto, apto para la producción de grandes volúmenes de las principales hebras y grapas. El aumento de la concentración de iones de zinc después del aislamiento del ADN libera las secuencias de grapas cortas, que luego dobla la hebra principal en la forma deseada.

Las investigaciones exhaustivas de los mecanismos de reacción en colaboración con colegas del Instituto de Ingeniería Bioquímica demostraron que esto es posible incluso a gran escala. En el Centro de Investigación TUM para Biotecnología Industrial en Garching, Los científicos ahora han producido varios gramos de cuatro objetos de origami de ADN diferentes. La ampliación del proceso a una escala de metros cúbicos está ahora al alcance de la mano.

"La interacción de la biotecnología y la tecnología de procesos ha permitido establecer un hito verdaderamente fundamental en el camino hacia las futuras aplicaciones de la nanotecnología del ADN, "dice el profesor Dirk Weuster-Botz, Catedrático del Instituto de Ingeniería Bioquímica.