Por pura versatilidad, no hay una molécula como el ADN. La icónica doble hélice lleva el modelo genético de las formas vivas que van desde organismos unicelulares hasta seres humanos.

Recientemente, Los investigadores han descubierto que las notables propiedades de autoensamblaje del ADN y su capacidad para conducir cargas eléctricas a una distancia considerable lo hacen ideal para innumerables aplicaciones. incluidos pequeños circuitos electrónicos y dispositivos informáticos, nanorobots y nuevos avances en fotónica.

Investigadores de la Universidad Estatal de Arizona, en colaboración con NYU y Duke University, han diseñado recientemente, creó y probó un circuito de ADN capaz de dividir y combinar la corriente, muy parecido a un adaptador que puede conectar varios electrodomésticos a una toma de corriente.

Nongjian "N.J." Tao un coautor del nuevo estudio, ha estado trabajando en refinar la capacidad del ADN para transportar cargas de manera más estable y eficiente, un obstáculo esencial en el camino hacia una nueva generación de dispositivos de base biológica.

"La capacidad del ADN para transportar cargas eléctricas se ha investigado durante algún tiempo, "dice Tao, quien dirige el Centro de Biodiseño de Bioelectrónica y Biosensores. "La corriente de división y recombinación es una propiedad básica de los circuitos electrónicos convencionales. Nos gustaría imitar esta capacidad en el ADN, pero hasta ahora esto ha sido bastante desafiante ".

La división de la corriente en las estructuras de ADN con tres o más terminales es difícil, ya que la carga tiende a disiparse rápidamente en las uniones o puntos de convergencia. En el nuevo estudio, una forma especial, El ADN conocido como G-quadruplex (G4) se utiliza para mejorar las propiedades de transporte de carga. Como su nombre indica, El ADN G4 se compone de cuatro en lugar de dos cadenas de ADN que son ricas en el nucleótido guanina.

"El ADN es capaz de conducir cargas, pero para ser útil para la nanoelectrónica, debe poder dirigir la carga a lo largo de más de una ruta dividiéndola o combinándola. Hemos resuelto este problema utilizando el cuádruplex de guanina (G4) en el que una carga puede llegar a un dúplex en un lado de esta unidad y salir por cualquiera de los dos dúplex del otro lado ", dice Peng Zhang, profesor asistente de investigación de química en la Universidad de Duke y coautor del nuevo estudio.

"Este es el primer paso necesario para transportar la carga a través de una estructura ramificada hecha exclusivamente de ADN. Es probable que los pasos posteriores den como resultado una nanoelectrónica basada en ADN exitosa que incluya dispositivos similares a transistores en materiales autoensamblados 'preprogramados'". "Dice Zhang.

Junto con Tao y Zheng, el equipo de investigación estaba formado por colegas de ASU de Tao, Limin Xiang y Yueqi Li; Ruojie Sha y Nadrian C. Seeman de NYU; y Chaoren Liu, Alexander Balaeff, Yuqi Zhang y David N. Beratan de la Universidad de Duke.

Los resultados del nuevo estudio aparecen en la edición avanzada en línea de la revista. Nanotecnología de la naturaleza .

El ADN es un material muy atractivo para el diseño y creación de nueva nanoelectrónica. Las cuatro bases de nucleótidos de la molécula etiquetadas A, T, C y G pueden programarse para autoensamblarse en icónicas hélices dobles, encajándose como piezas de un rompecabezas emparejadas, Un vínculo permanente con T y C con G. Se ha diseñado y construido sintéticamente una amplia gama de formas de ADN bidimensionales y tridimensionales sobre estos simples principios.

Pero la molécula también puede ensamblarse para formar ADN G4. En efecto, El ADN cuádruple rico en guanina de origen natural cumple una serie de funciones fisiológicas importantes. Tales configuraciones de ADN ocurren en los extremos de los cromosomas lineales, en estructuras conocidas como telómeros, que juegan un papel fundamental en la regulación del envejecimiento. Se ha demostrado que los cuádruples de ADN en los telómeros disminuyen la actividad de la telomerasa, una enzima responsable de la longitud de los telómeros e implicada en aproximadamente el 85 por ciento de todos los cánceres. Los cuádruples G4 son, por tanto, el objetivo farmacológico de importantes terapias.

En estructuras G4, El ADN toma la forma de bases de guanina apiladas que forman enlaces de hidrógeno con sus dos vecinos inmediatos. La estructura G4 en el corazón de los nuevos experimentos, con sus propiedades mejoradas de transporte de carga, permitió a los investigadores, por primera vez, para diseñar vías de conducción efectivas entre el ADN G-quadruplex apilado y los cables de doble hebra que forman los terminales para dividir o fusionar el flujo de corriente eléctrica.

Los esfuerzos anteriores para crear una unión eléctrica en forma de Y utilizando solo ADN de doble hebra convencional habían fracasado. debido a las muy malas propiedades de transporte de carga inherentes a los puntos de unión del circuito. Se demostró que el uso de ADN G4 como elemento conector en uniones de ADN de múltiples extremos mejora drásticamente el transporte de carga a través de circuitos de ADN de tres y cuatro terminales.

El estudio midió directamente la conductancia de carga a través de la nanoestructura basada en G4, utilizando un dispositivo conocido como microscopio de efecto túnel o STM. La molécula de ADN que consta del núcleo G4 con cables de doble hebra que forman los terminales de división se inmoviliza químicamente entre un sustrato de oro y la punta de oro del dispositivo STM.

La punta del STM entra y sale de contacto repetidamente con la molécula, rompiendo y reformando el empalme mientras se registra la corriente a través de cada terminal. Se recogieron miles de trazas para cada molécula candidata de ADN. El uso de este método STM de ruptura de unión permitió a los investigadores diseñar, medir y ajustar una variedad de circuitos prototipo para obtener propiedades de transporte de carga máximas.

"Mi función en este proyecto fue medir las salidas de conductancia de los dos dúplex de ADN en nuestro diseño, ", dijo el investigador de Biodesign Limin Xiang." Si piensas en la regleta de enchufes en tu lugar de trabajo, mi tarea consistía en comprobar si cada uno de los puntos de venta funcionaba correctamente. Sorprendentemente, encontramos que las corrientes de salida de los dos dúplex de ADN son las mismas, con mínima pérdida de energía. Nuestro siguiente paso es construir circuitos de ADN más complicados utilizando este diseño como elemento básico ".

El estudio examinó circuitos en forma de Y que dividen la carga entre tres terminales (G4 + 3) y estructuras de 4 terminales (G4 + 4). Debido a las sutiles distinciones en las propiedades de transporte de carga de los dos circuitos experimentales, los motivos G4 + 4 mostraron valores de conductancia dramáticamente más bajos.

Estos resultados apuntan a la configuración G4 + 3 como un dispositivo de división y combinación de carga más efectivo. En este caso, la carga ingresa a la unión desde una terminal y sale a través de una de las otras dos terminales con una eficiencia casi igual.

El estudio marca un primer paso importante en el establecimiento de estructuras G4 capaces de transportar carga de manera eficiente a través de tres o más terminales. un requisito esencial para las capacidades de control y redes electrónicas.

Además de proporcionar nuevas herramientas al creciente campo de la nanotecnología del ADN, la investigación puede ayudar a iluminar los métodos de la naturaleza para mantener la integridad genética dentro de las células y arrojar nueva luz sobre una miríada de enfermedades relacionadas con la ruptura de los mecanismos de corrección de errores del ADN.