Todos los años, los robots se vuelven cada vez más realistas. Las abejas que funcionan con energía solar vuelan en alas ágiles, humanoides pegan volteretas hacia atrás, y equipos de bots de fútbol diseñan estrategias para driblar, aprobar, y puntuación. Y, cuanto más descubren los investigadores sobre cómo se mueven las criaturas vivientes, cuantas más máquinas puedan imitarlos hasta sus moléculas más pequeñas.

"Ya tenemos estas increíbles máquinas en nuestros cuerpos, y funcionan tan bien ", dijo Pallav Kosuri." Simplemente no sabemos exactamente cómo funcionan ".

Por décadas, Los investigadores han buscado formas de estudiar cómo las máquinas biológicas alimentan a los seres vivos. Cada movimiento mecánico, desde la contracción de un músculo hasta la replicación del ADN, se basa en motores moleculares que toman pequeños, Pasos casi indetectables.

Intentar verlos moverse es como intentar ver un partido de fútbol en la luna.

Ahora, en un estudio reciente publicado en Naturaleza , un equipo de investigadores que incluye a Xiaowei Zhuang, el profesor de ciencia David B. Arnold en la Universidad de Harvard e investigador del Instituto Médico Howard Hughes, y el becario postdoctoral de Zhuang Lab Pallav Kosuri y Benjamin Altheimer, un doctorado estudiante de la Escuela de Postgrado en Artes y Ciencias, capturó los primeros pasos de rotación registrados de un motor molecular a medida que se movía de un par de bases de ADN a otro.

En colaboración con Peng Yin, profesor en el Instituto Wyss y la Escuela de Medicina de Harvard, y su estudiante graduado Mingjie Dai, el equipo combinó el origami de ADN con el seguimiento de una sola molécula de alta precisión, la creación de una nueva técnica llamada ORBIT (imágenes y rastreo basados ​​en rotores de origami) para observar las máquinas moleculares en movimiento.

En nuestros cuerpos algunos motores moleculares marchan directamente a través de las células musculares, haciendo que se contraigan. Otros reparan, replicar o transcribir el ADN:estos motores que interactúan con el ADN pueden agarrarse a una hélice de doble hebra y subir de una base a la siguiente, como subir una escalera de caracol.

Para ver estas mini máquinas en movimiento, el equipo quería aprovechar el movimiento de torsión:Primero, pegaron el motor que interactúa con el ADN a un soporte rígido. Una vez fijado, el motor tenía que girar la hélice para pasar de una base a la siguiente. Entonces, si pudieran medir cómo gira la hélice, podían determinar cómo se movía el motor.

Pero todavía había un problema:cada vez que un motor se mueve a través de un par de bases, la rotación desplaza el ADN en una fracción de nanómetro. Ese cambio es demasiado pequeño para resolverlo incluso con los microscopios de luz más avanzados.

Dos bolígrafos en forma de hélices de helicópteros dieron lugar a una idea para resolver este problema:una hélice sujeta al ADN giratorio se movería a la misma velocidad que la hélice y, por lo tanto, el motor molecular. Si pudieran construir un helicóptero de ADN, lo suficientemente grande para permitir la visualización de las palas del rotor oscilante, podían capturar el movimiento esquivo del motor con la cámara.

Para construir hélices del tamaño de una molécula, Kosuri, Altheimer y Zhuang decidieron usar origami de ADN. Utilizado para crear arte, entregar medicamentos a las células, estudiar el sistema inmunológico, y más, El origami de ADN implica manipular hebras para unirlas en hermosas, formas complicadas fuera de la doble hélice tradicional.

"Si tienes dos hebras complementarias de ADN, cierran la cremallera "Dijo Kosuri." Eso es lo que hacen. "Pero, si una hebra se modifica para complementar una hebra en una hélice diferente, pueden encontrarse y cerrar la cremallera en su lugar, tejiendo nuevas estructuras.

Para construir sus hélices de origami, el equipo se volvió hacia Peng Yin, un pionero de la tecnología del origami. Con la guía de Yin y su estudiante graduado Dai, el equipo tejió casi 200 piezas individuales de fragmentos de ADN en una forma similar a una hélice de 160 nanómetros de longitud. Luego, conectaron hélices a una doble hélice regular y alimentaron el otro extremo a RecBCD, un motor molecular que abre la cremallera del ADN. Cuando el motor se puso en funcionamiento, hizo girar el ADN, girando la hélice como un sacacorchos.

"Nadie había visto que esta proteína rotara el ADN porque se mueve súper rápido, "Dijo Kosuri.

El motor puede moverse a través de cientos de bases en menos de un segundo. Pero, con sus hélices de origami y una cámara de alta velocidad que funciona a mil fotogramas por segundo, el equipo finalmente pudo registrar los rápidos movimientos de rotación del motor.

"Muchos procesos críticos en el cuerpo involucran interacciones entre proteínas y ADN, ", dijo Altheimer. Comprender cómo funcionan estas proteínas, o cómo no funcionan, podría ayudar a responder preguntas biológicas fundamentales sobre la salud y las enfermedades humanas.

El equipo comenzó a explorar otros tipos de motores de ADN. Uno, Polimerasa de ARN, se mueve a lo largo del ADN para leer y transcribir el código genético en ARN. Inspirado en investigaciones anteriores, el equipo teorizó que este motor podría rotar el ADN en pasos de 35 grados, correspondiente al ángulo entre dos bases nucleotídicas vecinas.

ORBIT les dio la razón:"Por primera vez, hemos podido ver las rotaciones de un solo par de bases que subyacen a la transcripción del ADN, "Dijo Kosuri. Esos pasos de rotación son, como se predijo, alrededor de 35 grados.

Millones de hélices de ADN autoensambladas pueden caber en un solo portaobjetos de microscopio, lo que significa que el equipo puede estudiar cientos o incluso miles de ellos a la vez, usando solo una cámara conectada a un microscopio. De esa manera, pueden comparar y contrastar cómo los motores individuales realizan su trabajo.

"No hay dos enzimas idénticas, "Dijo Kosuri." Es como un zoológico ".

Una proteína motora puede dar un salto hacia adelante mientras que otra retrocede momentáneamente. Sin embargo, otro podría detenerse en una base durante más tiempo que en cualquier otra. El equipo aún no sabe exactamente por qué se mueven como lo hacen. Armado con ORBIT, pronto podrían hacerlo.

ORBIT también podría inspirar nuevos diseños de nanotecnología alimentados con fuentes de energía biológica como ATP. "Lo que hicimos es una nanomáquina híbrida que utiliza tanto componentes diseñados como motores biológicos naturales, "Dijo Kosuri. Un día, tal tecnología híbrida podría ser la base literal de los robots de inspiración biológica.