Un equipo de científicos de la Universidad de Columbia, Universidad del estado de Arizona, la Universidad de Michigan, y el Instituto de Tecnología de California (Caltech) han programado un "robot" molecular autónomo hecho de ADN para comenzar, moverse, girar, y deténgase mientras sigue una pista de ADN.

En última instancia, el desarrollo podría conducir a sistemas moleculares que algún día podrían usarse para dispositivos médicos terapéuticos y robots reconfigurables a escala molecular, robots hechos de muchas unidades simples que pueden reposicionarse o incluso reconstruirse para realizar diferentes tareas.

Un artículo que describe el trabajo aparece en el número actual de la revista. Naturaleza .

La visión tradicional de un robot es que es "una máquina que detecta su entorno, toma una decisión, y luego hace algo:actúa, "dice Erik Winfree, profesor asociado de informática, computación y sistemas neuronales, y bioingeniería en Caltech.

Milán N. Stojanovic, miembro de la facultad de la División de Terapéutica Experimental de la Universidad de Columbia, dirigió el proyecto y se asoció con Winfree y Hao Yan, profesor de química y bioquímica en la Universidad Estatal de Arizona y experto en nanotecnología del ADN, y con Nils G. Walter, profesor de química y director del Centro de Análisis de Moléculas Únicas en Tiempo Real (SMART) de la Universidad de Michigan en Ann Arbor, para lo que se convirtió en un autoensamblaje moderno de científicos de ideas afines con las áreas complementarias de experiencia necesarias para abordar un problema difícil.

Reducir los robots a la escala molecular proporcionaría, para procesos moleculares, los mismos tipos de beneficios que la robótica clásica y la automatización brindan a escala macroscópica. Robots moleculares, En teoria, podría programarse para detectar su entorno (digamos, la presencia de marcadores de enfermedad en una célula), tomar una decisión (que la célula es cancerosa y necesita ser neutralizada), y actuar de acuerdo con esa decisión (entregar un cargamento de medicamentos contra el cáncer).

O, como los robots en una fábrica moderna, podrían programarse para ensamblar productos moleculares complejos. El poder de la robótica radica en el hecho de que una vez programada, los robots pueden realizar sus tareas de forma autónoma, sin más intervención humana.

Con esa promesa sin embargo, Surge un problema práctico:¿cómo se programa una molécula para realizar comportamientos complejos?

"En robótica normal, el robot en sí contiene el conocimiento sobre los comandos, pero con moléculas individuales, no puedes almacenar esa cantidad de información, por lo que la idea es almacenar información sobre los comandos en el exterior, "dice Walter. Y tú haces eso, dice Stojanovic, "al imbuir el entorno de la molécula con señales informativas".

"Pudimos crear un entorno programado o 'prescrito' utilizando origami de ADN, "explica Yan. Origami de ADN, un invento de Paul W. K. Rothemund, investigador asociado sénior de Caltech, es un tipo de estructura autoensamblada hecha de ADN que se puede programar para formar formas y patrones casi ilimitados (como caras sonrientes o mapas del hemisferio occidental o incluso diagramas eléctricos). Aprovechando las propiedades de reconocimiento de secuencias del apareamiento de bases de ADN, Los origami de ADN se crean a partir de una sola hebra larga de ADN y una mezcla de diferentes hebras cortas de ADN sintético que se unen y "engrapan" el ADN largo en la forma deseada. El origami utilizado en el Naturaleza El estudio fue un rectángulo de 2 nanómetros (nm) de grosor y aproximadamente 100 nm en cada lado.

Los investigadores construyeron un rastro de "migas de pan" moleculares en el rastro de origami de ADN mediante el encadenamiento de moléculas de ADN monocatenarias adicionales, u oligonucleótidos, de los extremos de las grapas. Estos representan las señales que les dicen a los robots moleculares qué hacer:empezar, andar, Gire a la izquierda, Gire a la derecha, o detente, por ejemplo, similar a los comandos dados a los robots tradicionales.

El robot molecular que los investigadores eligieron usar, apodado "araña", fue inventado por Stojanovic hace varios años. momento en el que se demostró que era capaz de ampliarse, pero no dirigido, paseos aleatorios sobre superficies bidimensionales, comiendo a través de un campo de pan rallado.

Para construir el robot molecular de 4 nm de diámetro, los investigadores comenzaron con una proteína común llamada estreptavidina, que tiene cuatro bolsillos de unión colocados simétricamente para una fracción química llamada biotina. Cada pata del robot es una hebra corta de ADN marcada con biotina, "de esta manera podemos unir hasta cuatro patas al cuerpo de nuestro robot, "Dice Walter." Es una araña de cuatro patas, "bromea Stojanovic. Tres de las patas están hechas de ADN enzimático, que es el ADN que se une y corta una secuencia particular de ADN. La araña también está equipada con una "hebra de inicio", la cuarta pata, que ata a la araña al sitio de inicio (un oligonucleótido particular en la pista de origami de ADN). "Una vez que el robot se libera de su sitio de inicio mediante un hilo de activación, sigue la pista uniéndose y luego cortando las hebras de ADN que se extienden fuera de las hebras básicas en la pista molecular, "Explica Stojanovic.

"Una vez que se escinde, "agrega Yan, "el producto se disociará, y la pierna comenzará a buscar el siguiente sustrato ". De esta manera, la araña es guiada por el camino trazado por los investigadores. Finalmente, explica Yan, "el robot se detiene cuando encuentra un parche de ADN al que puede unirse pero que no puede cortar, "que actúa como una especie de papel matamoscas.

Aunque ya se han desarrollado otros caminantes de ADN, nunca se han aventurado más allá de unos tres pasos. "Éste, "dice Yan, "Puede caminar hasta unos 100 nanómetros. Eso es aproximadamente 50 pasos".

"Esto en sí mismo no fue una sorpresa, "agrega Winfree, "dado que el trabajo original de Milán sugirió que las arañas pueden tomar cientos, si no miles, de pasos de proceso. Lo que es emocionante aquí es que no solo podemos confirmar directamente el movimiento de múltiples pasos de las arañas, pero podemos dirigir a las arañas para que sigan un camino específico, y lo hacen todo por sí mismos, de forma autónoma ".

De hecho, utilizando microscopía de fuerza atómica y microscopía de fluorescencia de una sola molécula, los investigadores pudieron observar directamente a las arañas arrastrándose sobre el origami, demostrando que fueron capaces de guiar a sus robots moleculares para que siguieran cuatro caminos diferentes.

"Monitorear esto a nivel de una sola molécula es muy desafiante, "dice Walter." Es por eso que tenemos un interdisciplinario, funcionamiento de varios institutos. Tenemos gente construyendo la araña que caracteriza a la araña básica. Tenemos la capacidad de montar la pista, y analizar el sistema con imágenes de una sola molécula. Ese es el desafío técnico. "Los desafíos científicos para el futuro, Yan dice, "son cómo hacer que la araña camine más rápido y cómo hacerlo más programable, para que pueda seguir muchos comandos en la pista y tomar más decisiones, implementando un comportamiento lógico ".

"En el sistema actual, "dice Stojanovic, "las interacciones están restringidas al caminante y al medio ambiente. Nuestro siguiente paso es agregar un segundo caminante, para que los caminantes puedan comunicarse entre sí directamente y a través del entorno. Las arañas trabajarán juntas para lograr un objetivo ", agrega Winfree, "La clave es cómo aprender a programar comportamientos de nivel superior a través de interacciones de nivel inferior".

En última instancia, dicha colaboración podría ser la base para desarrollar robots reconfigurables a escala molecular, máquinas complicadas que están hechas de muchas unidades simples que pueden reorganizarse en cualquier forma, para realizar diferentes tareas. o arreglarse si se rompen. Por ejemplo, puede ser posible utilizar los robots para aplicaciones médicas. "La idea es que los robots moleculares construyan una estructura o repare los tejidos dañados, "dice Stojanovic.

"Podrías imaginar a la araña llevando una droga y adhiriéndose a una superficie bidimensional como una membrana celular, encontrar los receptores y, dependiendo del entorno local, "agrega Yan, "desencadenando la activación de esta droga".

Tales aplicaciones, mientras intrigante, están a décadas o más de distancia. "Esto puede ser 100 años en el futuro, "Dice Stojanovic." Estamos muy lejos de eso en este momento ".

"Pero, "Walter agrega, "así como los investigadores se autoensamblan hoy para resolver un problema difícil, los nanorobots moleculares pueden hacerlo en el futuro ".