algunos no más grandes que los virus, se han construido mediante una técnica revolucionaria conocida como origami de ADN. Ahora, Hao Yan, Yan Liu y sus colegas del Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona han ampliado la capacidad de este método para construir arbitrarias, formas bidimensionales y tridimensionales, imitando a los que se encuentran comúnmente en la naturaleza.

Estas formas diminutas pueden finalmente encontrar su camino en una amplia gama de dispositivos, desde componentes informáticos ultrapequeños hasta centinelas nanomédicos que se utilizan para atacar y destruir células aberrantes o administrar terapias a nivel celular o incluso molecular.

En la edición de hoy de Science, el grupo Yan describe un enfoque que capitaliza (y extiende) el potencial arquitectónico del ADN. El nuevo método es un paso importante en la dirección de construir estructuras a nanoescala con curvaturas complejas, una hazaña que ha eludido los métodos convencionales de origami de ADN. "Estamos interesados ​​en desarrollar una estrategia para reproducir las formas complejas de la naturaleza, "dijo Yan.

La técnica del origami de ADN fue introducida en 2006 por el científico informático Paul W.K. Rothemund de Caltech. Se basa en las propiedades de autoensamblaje de los cuatro pares de bases complementarios del ADN, que unen las hebras de la famosa doble hélice de la molécula. Cuando estos nucleótidos, etiquetado A, T, C, y G, interactuar, se unen entre sí de acuerdo con una fórmula simple:A siempre se empareja con T y
C con G.

Los nanodiseñadores como Yan tratan la molécula de ADN como un material de construcción versátil, uno que esperan tomar prestado de la naturaleza y adaptar para nuevos propósitos. En origami de ADN tradicional, primero se conceptualiza y dibuja una forma bidimensional. Este contorno poligonal se rellena luego con segmentos cortos de ADN bicatenario, dispuestas en paralelo. Estos segmentos pueden compararse con píxeles, elementos digitales que se utilizan para crear palabras e imágenes que se muestran en la pantalla de una computadora.

En efecto, Rothemund y otros pudieron usar segmentos de ADN en forma de píxeles para componer una variedad de elegantes formas bidimensionales, (estrellas, romboides, formas de copo de nieve, caras sonrientes, palabras sencillas e incluso mapas), así como algunas estructuras tridimensionales rudimentarias. Cada uno de estos se basa en las reglas simples de autoensamblaje que guían el emparejamiento de bases de nucleótidos.

Una vez que la forma deseada ha sido enmarcada por una longitud de ADN monocatenario, Las "hebras de grapas" cortas de ADN integran la estructura y actúan como pegamento para mantener unida la forma deseada. La secuencia de nucleótidos de la hebra del andamio está compuesta de tal manera que atraviesa cada hélice en el diseño, como un hilo de serpentina tejiendo un mosaico de tela. Los hilos de grapas proporcionan un refuerzo adicional, que también están prediseñados para adherirse a las regiones deseadas de la estructura terminada, a través del emparejamiento de bases.

"Hacer objetos curvos requiere ir más allá de la aproximación de curvatura por píxeles rectangulares. La gente en el campo está interesada en este problema. Por ejemplo, El grupo de William Shih en la Facultad de Medicina de Harvard utilizó recientemente la inserción y eliminación específicas de pares de bases en segmentos seleccionados dentro de un bloque de construcción 3D para inducir la curvatura deseada. Sin embargo, sigue siendo una tarea abrumadora diseñar curvaturas sutiles en una superficie 3D, "Dijo Yan.

"Nuestro objetivo es desarrollar principios de diseño que permitan a los investigadores modelar formas 3D arbitrarias con control sobre el grado de curvatura de la superficie. En un escape de un modelo de celosía rígida, nuestra estrategia versátil comienza definiendo las características de superficie deseadas de un objeto objetivo con el andamio, seguido de la manipulación de la conformación del ADN y la conformación de redes cruzadas para lograr el diseño, "Dijo Liu.

Para lograr esta idea, El estudiante graduado de Yan, Dongran Han, comenzó haciendo estructuras simples de anillos concéntricos bidimensionales, cada anillo se formó a partir de una doble hélice de ADN. Los anillos concéntricos están unidos por medio de puntos de cruce estratégicamente ubicados. Estas son regiones donde una de las hebras en una doble hélice dada cambia a un anillo adyacente, puenteando la brecha entre hélices concéntricas. Tales cruces ayudan a mantener la estructura de anillos concéntricos, impidiendo que el ADN se extienda.

La variación del número de nucleótidos entre los puntos de cruce y la ubicación de los cruces permite al diseñador combinar elementos afilados y redondeados en una sola forma 2D, como puede verse en la figura 1 a &b, (con imágenes acompañantes producidas por microscopía de fuerza atómica, revelando las estructuras reales que se formaron a través del autoensamblaje). Una variedad de tales diseños 2D, incluyendo un anillo abierto de 9 capas y una estrella de tres puntas, fueron producidos.

La red de puntos de cruce también se puede diseñar de tal manera que produzca combinaciones de curvatura en el plano y fuera del plano, permitiendo el diseño de nanoestructuras curvas en 3D. Si bien este método muestra una versatilidad considerable, el rango de curvatura todavía es limitado para el ADN de forma B estándar, que no tolerará grandes desviaciones de su configuración preferida:10,5 pares de bases / turno. Sin embargo, como Jeanette Nangreave, uno de los coautores del artículo explica, "Hao reconoció que si pudieras girar un poco más o menos estas hélices, podría producir diferentes ángulos de flexión ".

Combinando el método de hélices concéntricas con dicho ADN sin forma B (con 9-12 pares de bases / vuelta), permitió al grupo producir formas sofisticadas, incluyendo esferas, hemisferios, conchas elipsoides y, finalmente, como un tour de force del nanodiseño, un nanofrasco de fondo redondo, que aparece inequívocamente en una serie de asombrosas imágenes de microscopía electrónica de transmisión (ver figura 1, c-f)

"Este es un buen ejemplo de trabajo en equipo en el que cada miembro aporta sus habilidades únicas al proyecto para que las cosas sucedan". Los otros autores incluyen a Suchetan Pal y Zhengtao Deng, quien también hizo contribuciones significativas en la obtención de imágenes de las estructuras.

Yan espera ampliar aún más la gama de nanoformas posibles a través de la nueva técnica. Finalmente, esto requerirá longitudes más largas de ADN monocatenario capaces de proporcionar el andamiaje necesario para estructuras más elaboradas. Atribuye a su brillante alumno (y primer autor del artículo) Dongran Han una notable capacidad para conceptualizar nanoformas en 2 y 3D y navegar por los detalles a menudo desconcertantes de su diseño. En última instancia, sin embargo, Las nanoarquitecturas más sofisticadas requerirán programas de diseño asistido por computadora, un área que el equipo está persiguiendo activamente.

La exitosa construcción de cerrado, Las nanoformas 3D como la esfera han abierto la puerta a muchas posibilidades interesantes para la tecnología, particularmente en el ámbito biomédico. Las nanoesferas podrían introducirse en células vivas, por ejemplo, liberando su contenido bajo la influencia de endonucleasas u otros componentes digestivos. Otra estrategia podría usar esferas como nano-reactores, sitios donde los químicos o grupos funcionales podrían unirse para acelerar reacciones o llevar a cabo otras manipulaciones químicas.