En 2006, Paul Rothemund de Caltech (BS '94), ahora profesor investigador de bioingeniería, ciencias de la computación y matemáticas, y computación y sistemas neuronales:se desarrolló un método para doblar una larga hebra de ADN en una forma prescrita. La técnica, apodado origami de ADN, permitió a los científicos crear estructuras de ADN autoensambladas que podrían llevar cualquier patrón específico, como una carita sonriente de 100 nanómetros de ancho.

El origami de ADN revolucionó el campo de la nanotecnología, abriendo posibilidades de construir diminutos dispositivos moleculares o materiales programables "inteligentes". Sin embargo, algunas de estas aplicaciones requieren estructuras de origami de ADN mucho más grandes.

Ahora, científicos en el laboratorio de Lulu Qian, profesor asistente de bioingeniería en Caltech, han desarrollado un método económico mediante el cual el origami de ADN se autoensambla en grandes matrices con patrones totalmente personalizables, creando una especie de lienzo que puede mostrar cualquier imagen. Para demostrar esto, el equipo creó a partir del ADN la recreación más pequeña del mundo de la Mona Lisa de Leonardo da Vinci.

El trabajo se describe en un artículo que aparece en la edición del 7 de diciembre de la revista. Naturaleza .

Si bien el ADN es quizás más conocido por codificar la información genética de los seres vivos, la molécula también es un excelente componente químico. Una molécula de ADN monocatenario se compone de moléculas más pequeñas llamadas nucleótidos (abreviado A, T, C, y G:dispuestos en una cuerda, o secuencia. Los nucleótidos de una molécula de ADN monocatenario pueden unirse con los de otra cadena sencilla para formar ADN bicatenario. pero los nucleótidos se unen sólo de formas muy específicas:un nucleótido A con un T o un nucleótido C con un G. Estas estrictas "reglas" de emparejamiento de bases hacen posible diseñar origami de ADN.

Para hacer un solo cuadrado de origami de ADN, solo se necesita una hebra única larga de ADN y muchas hebras sencillas más cortas, llamadas grapas, diseñadas para unirse a múltiples lugares designados en la hebra larga. Cuando las grapas cortas y la hebra larga se combinan en un tubo de ensayo, las grapas unen regiones de la hebra larga, haciendo que se doble sobre sí mismo en la forma deseada. Un gran lienzo de ADN se ensambla con muchos mosaicos de origami cuadrados más pequeños, como armar un rompecabezas. Las moléculas se pueden unir selectivamente a las grapas para crear un patrón en relieve que se puede ver mediante microscopía de fuerza atómica.

El equipo de Caltech desarrolló un software que puede tomar una imagen como la Mona Lisa, dividirlo en pequeñas secciones cuadradas, y determinar las secuencias de ADN necesarias para formar esos cuadrados. Próximo, su desafío era conseguir que esas secciones se autoensamblaran en una superestructura que recreara la Mona Lisa.

"Podríamos hacer cada teja con grapas de borde únicas para que solo pudieran unirse a otras tejas y autoensamblarse en una posición única en la superestructura, "explica Grigory Tikhomirov, becario postdoctoral senior y autor principal del artículo, "pero luego tendríamos que tener cientos de aristas únicas, lo cual no solo sería muy difícil de diseñar sino también extremadamente costoso de sintetizar. Queríamos usar solo una pequeña cantidad de grapas de borde diferentes, pero aún así colocar todas las baldosas en los lugares correctos ".

La clave para hacer esto fue ensamblar los mosaicos en etapas, como ensamblar pequeñas regiones de un rompecabezas y luego ensamblarlas para hacer regiones más grandes antes de finalmente juntar las regiones más grandes para hacer el rompecabezas completo. Cada mini rompecabezas utiliza los mismos cuatro bordes, pero debido a que estos rompecabezas se ensamblan por separado, no hay riesgo, por ejemplo, de una baldosa de esquina colocada en la esquina incorrecta. El equipo ha llamado al método "ensamblaje fractal" porque el mismo conjunto de reglas de ensamblaje se aplica a diferentes escalas.

"Una vez que hayamos sintetizado cada mosaico individual, colocamos cada uno en su propio tubo de ensayo para un total de 64 tubos, "dice Philip Petersen, estudiante de posgrado y co-primer autor del artículo. "Sabemos exactamente qué mosaicos están en qué tubos, para que sepamos combinarlos para montar el producto final. Primero, combinamos el contenido de cuatro tubos en particular juntos hasta obtener 16 cuadrados de dos por dos. Luego, esos se combinan de cierta manera para obtener cuatro tubos cada uno con un cuadrado de cuatro por cuatro. Y luego los cuatro tubos finales se combinan para crear uno grande, cuadrado de ocho por ocho compuesto por 64 mosaicos. Diseñamos los bordes de cada baldosa para que sepamos exactamente cómo se combinarán ".

La estructura final del equipo de Qian era 64 veces más grande que la estructura de origami de ADN original diseñada por Rothemund en 2006. Sorprendentemente, gracias al reciclaje de las mismas interacciones de borde, el número de hebras de ADN diferentes requeridas para el ensamblaje de esta superestructura de ADN fue aproximadamente el mismo que para el origami original de Rothemund. Esto debería hacer que el nuevo método sea igualmente asequible, según Qian.

"La naturaleza jerárquica de nuestro enfoque permite usar solo un conjunto pequeño y constante de bloques de construcción únicos, en este caso, hebras de ADN con secuencias únicas, para construir estructuras con tamaños crecientes y, en principio, un número ilimitado de pinturas diferentes, ", dice Tikhomirov." Este enfoque económico de construir más con menos es similar a cómo se construyen nuestros cuerpos. Todas nuestras células tienen el mismo genoma y están construidas con el mismo conjunto de bloques de construcción, como los aminoácidos, carbohidratos y lípidos. Sin embargo, a través de una expresión génica variable, cada celda usa los mismos bloques de construcción para construir diferentes maquinarias, por ejemplo, células musculares y células de la retina ".

El equipo también creó un software para permitir a los científicos de todo el mundo crear nanoestructuras de ADN utilizando ensamblaje fractal.

"Para hacer que nuestra técnica sea fácilmente accesible para otros investigadores que estén interesados ​​en explorar aplicaciones utilizando nanoestructuras de ADN planas a escala micrométrica, Desarrollamos una herramienta de software en línea que convierte la imagen deseada por el usuario en cadenas de ADN y protocolos de laboratorio húmedo. "dice Qian." El protocolo puede ser leído directamente por un robot de manipulación de líquidos para mezclar automáticamente las hebras de ADN. La nanoestructura de ADN se puede ensamblar sin esfuerzo ".

Usando esta herramienta de software en línea y técnicas automáticas de manejo de líquidos, varios otros patrones fueron diseñados y ensamblados a partir de cadenas de ADN, incluyendo un retrato de tamaño natural de una bacteria y un retrato de un gallo del tamaño de una bacteria.

"Otros investigadores han trabajado anteriormente en la unión de diversas moléculas como polímeros, proteínas, y nanopartículas a lienzos de ADN mucho más pequeños con el fin de construir circuitos electrónicos con características diminutas, fabricar materiales avanzados, o estudiar las interacciones entre sustancias químicas o biomoléculas, ", dice Petersen." Nuestro trabajo les da un lienzo aún más grande en el que basarse ".