Los ingenieros han desarrollado una técnica que les permite colocar con precisión dispositivos microscópicos formados a partir de moléculas de ADN plegadas no solo en una ubicación específica sino también en una orientación específica.

Como prueba de concepto, organizaron más de 3, 000 dispositivos moleculares a nanoescala en forma de luna brillante en un instrumento en forma de flor para indicar la polarización de la luz. Cada uno de los 12 pétalos apuntaba en una dirección diferente alrededor del centro de la flor, y dentro de cada pétalo se alinearon unas 250 lunas con la dirección del pétalo. Debido a que cada luna solo brilla cuando es golpeada por luz polarizada que coincide con su orientación, el resultado final es una flor cuyos pétalos se iluminan en secuencia a medida que se rota la polarización de la luz que brilla sobre ella. La flor, que abarca una distancia menor que el ancho de un cabello humano, demuestra que miles de moléculas se pueden orientar de manera confiable en la superficie de un chip.

Este método para colocar y orientar con precisión dispositivos moleculares basados ​​en ADN puede hacer posible el uso de estos dispositivos moleculares para alimentar nuevos tipos de chips que integran biosensores moleculares con óptica y electrónica para aplicaciones como la secuenciación de ADN o la medición de concentraciones de miles de proteínas en una vez.

La investigación, publicado el 19 de febrero por la revista Ciencias , se basa en más de 15 años de trabajo de Paul Rothemund de Caltech (BS '94), profesor investigador de bioingeniería, ciencias de la computación y matemáticas, y computación y sistemas neuronales, y sus colegas. En 2006, Rothemund demostró que el ADN puede dirigirse para que se pliegue en formas precisas mediante una técnica denominada origami de ADN. En 2009, Rothemund y sus colegas de IBM Research Almaden describieron una técnica mediante la cual el origami de ADN podría colocarse en ubicaciones precisas en las superficies. Para hacerlo utilizaron un proceso de impresión basado en haces de electrones y crearon parches "pegajosos" que tenían el mismo tamaño y forma que el origami. En particular, demostraron que los triángulos de origami se unían precisamente en la ubicación de parches adhesivos triangulares.

Próximo, Rothemund y Ashwin Gopinath, anteriormente becario postdoctoral senior de Caltech y ahora profesor asistente en el MIT, refinó y amplió esta técnica para demostrar que los dispositivos moleculares construidos a partir de origami de ADN podrían integrarse de manera confiable en dispositivos ópticos más grandes. "La barrera tecnológica ha sido cómo organizar de forma reproducible una gran cantidad de dispositivos moleculares en los patrones correctos en los tipos de materiales utilizados para los chips, "dice Rothemund.

En 2016, Rothemund y Gopinath demostraron que el origami triangular que lleva moléculas fluorescentes podría usarse para reproducir un 65, Versión de 000 píxeles de La noche estrellada de Vincent van Gogh. En ese trabajo, se utilizaron origami de ADN triangular para colocar moléculas fluorescentes dentro de resonadores ópticos del tamaño de una bacteria; La ubicación precisa de las moléculas fluorescentes era fundamental, ya que un movimiento de solo 100 nanómetros hacia la izquierda o hacia la derecha atenuaría o iluminaría el píxel más de cinco veces.

Pero la técnica tenía un talón de Aquiles:"Debido a que los triángulos eran equiláteros y podían rotar y voltear al revés, podrían pegarse planas sobre el parche adhesivo triangular en la superficie de cualquiera de las seis formas diferentes. Esto significaba que no podíamos usar ningún dispositivo que requiriera una orientación particular para funcionar. Estábamos atrapados con dispositivos que funcionarían igual de bien cuando se apuntaban hacia arriba, abajo, o en cualquier dirección, ", dice Gopinath. Los dispositivos moleculares destinados a la secuenciación del ADN o la medición de proteínas tienen que aterrizar con el lado correcto hacia arriba, por lo que las técnicas más antiguas del equipo arruinarían el 50 por ciento de los dispositivos. Para dispositivos que también requieren una orientación rotacional única, como transistores, sólo funcionaría el 16 por ciento.

El primer problema a resolver, luego, era conseguir que el origami de ADN aterrizara de manera confiable con el lado correcto hacia arriba. "Es un poco como garantizar que las tostadas siempre caigan mágicamente con la mantequilla hacia arriba cuando se arrojan al suelo, "dice Rothemund. Para sorpresa de los investigadores, recubrir el origami con una alfombra de hebras de ADN flexibles en un lado permitió que más del 95 por ciento de ellos aterrizaran boca arriba. Pero persistía el problema de controlar la rotación. Los triángulos rectángulos con tres longitudes de borde diferentes fueron el primer intento de los investigadores en una forma que podría aterrizar en la rotación preferida.

Sin embargo, después de luchar para que solo el 40 por ciento de los triángulos rectángulos apunten en la orientación correcta, Gopinath reclutó al informático Chris Thachuk de la Universidad de Washington, coautor del artículo de Science, y un ex postdoctorado de Caltech; y David Kirkpatrick de la Universidad de Columbia Británica, también coautor de la Ciencias papel. Su trabajo era encontrar una forma que solo se atascara en la orientación deseada, no importa en qué orientación aterrice. La solución de los científicos informáticos fue un disco con un orificio descentrado, que los investigadores denominaron "luna pequeña". Las pruebas matemáticas sugirieron que, a diferencia de un triángulo rectángulo, las lunas pequeñas podrían rotar suavemente para encontrar la mejor alineación con su parche adhesivo sin atascarse. Los experimentos de laboratorio verificaron que más del 98 por ciento de las lunas pequeñas encontraron la orientación correcta en sus parches pegajosos.

Luego, el equipo agregó moléculas fluorescentes especiales que se atascan firmemente en las hélices de ADN de las lunas pequeñas. perpendicular al eje de las hélices. Esto aseguró que las moléculas fluorescentes dentro de una luna estuvieran todas orientadas en la misma dirección y brillarían más intensamente cuando fueran estimuladas con luz de una polarización particular. "Es como si cada molécula llevara una pequeña antena, que puede aceptar la energía de la luz de manera más eficiente solo cuando la polarización de la luz coincide con la orientación de la antena, ", dice Gopinath. Este simple efecto es lo que permitió la construcción de la flor sensible a la polarización.

Con métodos robustos para controlar la orientación hacia arriba y hacia abajo y rotacional del origami de ADN, Una amplia gama de dispositivos moleculares ahora se pueden integrar de forma económica en chips de computadora con un alto rendimiento para una variedad de aplicaciones potenciales. Por ejemplo, Rothemund y Gopinath han fundado una empresa, Palamedrix, comercializar la tecnología para la construcción de chips semiconductores que permitan el estudio simultáneo de todas las proteínas relevantes para la salud humana. Caltech ha presentado solicitudes de patente para el trabajo.