Investigadores del MIT y la Universidad Estatal de Arizona han diseñado un programa informático que permite a los usuarios traducir cualquier dibujo de forma libre a un dibujo bidimensional, estructura a nanoescala hecha de ADN.

Hasta ahora, El diseño de tales estructuras ha requerido conocimientos técnicos que ponen el proceso fuera del alcance de la mayoría de las personas. Usando el nuevo programa, cualquiera puede crear una nanoestructura de ADN de cualquier forma, para aplicaciones en biología celular, fotónica, y detección e informática cuántica, Entre muchos otros.

"Lo que hace este trabajo es permitir que cualquiera dibuje literalmente cualquier forma bidimensional y la convierta automáticamente en origami de ADN, "dice Mark Bathe, profesor asociado de ingeniería biológica en el MIT y autor principal del estudio.

Los investigadores publicaron sus hallazgos en la edición del 4 de enero de Avances de la ciencia , y el programa, llamado PERDIX, está disponible en línea. Los autores principales del artículo son Hyungmin Jun, un postdoctorado del MIT, y Fei Zhang, profesor asistente de investigación en la Universidad Estatal de Arizona. Otros autores son el investigador asociado del MIT Tyson Shepherd, reciente Ph.D. del MIT destinatario Sakul Ratanalert, El científico investigador asistente de ASU Xiaodong Qi, y el profesor de ASU, Hao Yan.

Diseño automatizado

Origami de ADN, la ciencia de doblar el ADN en estructuras diminutas, se originó a principios de la década de 1980, cuando Ned Seeman de la Universidad de Nueva York propuso aprovechar las capacidades de emparejamiento de bases del ADN para crear arreglos moleculares arbitrarios. En 2006, Paul Rothemund de Caltech creó el primer andamio, estructuras de ADN bidimensionales, tejiendo una sola hebra larga de ADN (el andamio) a través de la forma de tal manera que las hebras de ADN conocidas como "grapas" se hibridan con él para ayudar a que la estructura general mantenga su forma.

Otros más tarde utilizaron un enfoque similar para crear complejas estructuras de ADN tridimensionales. Sin embargo, Todos estos esfuerzos requirieron un complicado diseño manual para enrutar el andamio a través de toda la estructura y generar las secuencias de los hilos básicos. En 2016, Bathe y sus colegas desarrollaron una forma de automatizar el proceso de generación de una estructura de ADN poliédrica 3-D, y en este nuevo estudio, se propusieron automatizar el diseño de estructuras de ADN 2-D arbitrarias.

Para lograr eso, desarrollaron un nuevo enfoque matemático para el proceso de enrutar el andamio monocatenario a través de toda la estructura para formar la forma correcta. El programa de computadora resultante puede tomar cualquier dibujo de forma libre y traducirlo en la secuencia de ADN para crear esa forma y en las secuencias de las hebras básicas.

La forma se puede esbozar en cualquier programa de dibujo de computadora y luego convertir en un archivo de diseño asistido por computadora (CAD), que se introduce en el programa de diseño de ADN. "Una vez que tenga ese archivo, todo es automático muy parecido a imprimir, pero aquí la tinta es ADN, "Báñese dice.

Una vez generadas las secuencias, el usuario puede pedirles que fabriquen fácilmente la forma especificada. En este papel, Los investigadores crearon formas en las que todos los bordes consisten en dos dúplex de ADN, pero también tienen un programa de trabajo que puede utilizar seis dúplex por borde, que son más rígidos. La herramienta de software correspondiente para poliedros 3D, llamado TALOS, está disponible en línea y se publicará próximamente en la revista ACS Nano. Las formas, que varían de 10 a 100 nanómetros de tamaño, puede permanecer estable durante semanas o meses, suspendido en una solución tampón.

"El hecho de que podamos diseñarlos y fabricarlos de una manera muy simple ayuda a resolver un cuello de botella importante en nuestro campo, Bathe dice:"Ahora el campo puede hacer la transición hacia grupos mucho más amplios de personas en la industria y el mundo académico que pueden funcionalizar las estructuras del ADN y desplegarlas para diversas aplicaciones".

Patrones a nanoescala

Debido a que los investigadores tienen un control tan preciso sobre la estructura de las partículas de ADN sintético, pueden unir una variedad de otras moléculas en lugares específicos. Esto podría ser útil para crear plantillas de antígenos en patrones de nanoescala para arrojar luz sobre cómo las células inmunes reconocen y son activadas por arreglos específicos de antígenos que se encuentran en virus y bacterias.

"La forma en que las células inmunitarias reconocen los patrones de antígenos a nanoescala es un área de inmunología muy poco conocida, ", Dice Bathe." Unir antígenos a superficies de ADN estructuradas para mostrarlas en patrones organizados es una forma poderosa de probar esa biología ".

Otra aplicación clave es el diseño de circuitos de captación de luz que imitan los complejos fotosintéticos que se encuentran en las plantas. Para lograr eso, los investigadores están uniendo tintes sensibles a la luz conocidos como cromóforos a los andamios de ADN. Además de cosechar luz, Estos circuitos también podrían utilizarse para realizar cálculos rudimentarios y de detección cuántica. Si tiene éxito, estos serían los primeros circuitos de computación cuántica que pueden operar a temperatura ambiente, Báñese dice.