El programa CanDo (ingeniería asistida por computadora para origami de ADN) puede convertir un plano de origami de ADN 2-D en una forma compleja de 3-D, visto aquí. Imagen:Do-Nyun Kim
Si bien el trabajo principal del ADN en las células es transportar información genética de una generación a la siguiente, Algunos científicos también ven la molécula altamente estable y programable como un material de construcción ideal para estructuras a nanoescala que podrían usarse para administrar medicamentos. actuar como biosensores, realizar fotosíntesis artificial y más.
Intentar construir estructuras de ADN a gran escala alguna vez se consideró impensable. Pero hace unos cinco años, El bioingeniero computacional de Caltech, Paul Rothemund, presentó una nueva estrategia de diseño llamada origami de ADN:la construcción de formas bidimensionales a partir de una hebra de ADN doblada sobre sí misma y asegurada por hebras cortas de "grapas". Muchos años después, El laboratorio de William Shih en la Facultad de Medicina de Harvard tradujo este concepto a tres dimensiones, permitiendo el diseño de estructuras complejas curvas y dobladas que abrieron nuevas vías para el diseño biológico sintético a nanoescala.
Un obstáculo importante para estos diseños cada vez más complejos ha sido la automatización del proceso de diseño. Ahora un equipo en MIT, dirigido por el ingeniero biológico Mark Bathe, ha desarrollado un software que facilita la predicción de la forma tridimensional que resultará de una plantilla de ADN determinada. Si bien el software no automatiza completamente el proceso de diseño, facilita considerablemente a los diseñadores la creación de estructuras tridimensionales complejas, controlando su flexibilidad y potencialmente su estabilidad de plegado.
"En última instancia, buscamos una herramienta de diseño en la que pueda comenzar con una imagen de la compleja forma tridimensional de interés, y el algoritmo busca combinaciones de secuencia óptimas, "Dice Bathe, el Profesor Asistente Samuel A. Goldblith de Biología Aplicada. “Con el fin de hacer que esta tecnología para nanoensamblaje esté disponible para la comunidad en general, incluidos los biólogos, farmacia, y científicos de materiales sin experiencia en la técnica de origami de ADN:la herramienta computacional debe estar completamente automatizada, con un mínimo de participación o intervención humana ".
Bathe y sus colegas describieron su nuevo software en la edición del 25 de febrero de Métodos de la naturaleza . En ese papel también proporcionan una introducción a la creación de origami de ADN con el colaborador Hendrik Dietz en la Technische Universitaet Muenchen. “Un cuello de botella para hacer que la tecnología sea más útil en general es que solo un pequeño grupo de investigadores especializados están capacitados en el diseño de origami de ADN con andamios, —Dice Báñese.
Programación de ADN
El ADN consta de una cadena de cuatro bases de nucleótidos conocidas como A, T, G y C, lo que hace que la molécula sea fácil de programar. Según las reglas de la naturaleza, A se une solo con T, y G solo con C. “Con ADN, a pequeña escala, puede programar estas secuencias para autoensamblar y plegar en una estructura final muy específica, con hebras separadas reunidas para hacer objetos de mayor escala, —Dice Báñese.
La estrategia de diseño de origami de Rothemund se basa en la idea de hacer que una hebra larga de ADN se doble en dos dimensiones, como si estuviera sobre una superficie plana. En su primer artículo que describe el método, usó un genoma viral que consta de aproximadamente 8, 000 nucleótidos para crear estrellas 2-D, triángulos y caras sonrientes.
Esa única hebra de ADN sirve como "andamio" para el resto de la estructura. Cientos de hebras más cortas, cada uno de aproximadamente 20 a 40 bases de largo, combinar con el andamio para sostenerlo en su final, forma doblada.
"El ADN es, en muchos sentidos, más adecuado para el autoensamblaje que las proteínas, cuyas propiedades físicas son difíciles de controlar y sensibles a su entorno, —Dice Báñese.
El nuevo programa de software de Bathe interactúa con un programa de software del laboratorio de Shih llamado caDNAno, que permite a los usuarios crear manualmente origami de ADN con andamios a partir de un diseño bidimensional. El nuevo programa, apodado CanDo, toma el plano 2-D de caDNAno y predice la forma 3-D definitiva del diseño. Esta forma resultante a menudo no es intuitiva, Báñese dice:porque el ADN es un objeto flexible que se retuerce, se dobla y se estira a medida que se pliega para formar una compleja forma tridimensional.
Según Rothemund, el programa CanDo debería permitir a los diseñadores de origami de ADN probar más a fondo sus estructuras de ADN y ajustarlas para que se plieguen correctamente. "Si bien hemos podido diseñar la forma de las cosas, no hemos tenido herramientas para diseñar y analizar fácilmente las tensiones y deformaciones en esas formas o para diseñarlas para fines específicos, ”, Dice.
A nivel molecular, el estrés en la doble hélice del ADN disminuye la estabilidad de plegado de la estructura e introduce defectos locales, ambos han obstaculizado el progreso en el campo del origami de ADN andamio.
El investigador postdoctoral Do-Nyun Kim y el estudiante graduado Matthew Adendorff, ambos del laboratorio de Bathe, ahora están mejorando las capacidades de CanDo y optimizando el proceso de diseño de origami de ADN andamios.
Construyendo herramientas a nanoescala
Una vez que los científicos tengan una forma confiable de ensamblar estructuras de ADN, la siguiente pregunta es qué hacer con ellos. Una aplicación que entusiasma a los científicos es un "portador de ADN" que puede transportar medicamentos a destinos específicos en el cuerpo, como tumores, donde el transportista liberaría la carga basándose en una señal química específica de la célula cancerosa objetivo.
Otra posible aplicación del origami de ADN en andamio podría ayudar a reproducir parte del aparato de recolección de luz de las células vegetales fotosintéticas. Los investigadores esperan recrear esa compleja serie de unas 20 subunidades de proteínas, pero para hacer eso, los componentes deben mantenerse juntos en posiciones y orientaciones específicas. Ahí es donde podría entrar el origami de ADN.
“El origami de ADN permite la construcción a nanoescala de arreglos arquitectónicos muy precisos. Los investigadores están explotando esta propiedad única para perseguir una serie de aplicaciones a nanoescala, incluyendo una fotocélula sintética, —Dice Báñese. “Si bien aplicaciones como esta aún están bastante lejos en el horizonte, creemos que las herramientas de software de ingeniería predictiva son esenciales para avanzar en esta dirección ”.
Las aplicaciones novedosas también pueden surgir de una nueva competencia que se celebrará en Harvard este verano, llamado BIOMOD. Equipos de pregrado de una docena de escuelas, incluido el MIT, Harvard y Caltech, intentará diseñar biomoléculas a nanoescala para robótica, informática y otras aplicaciones.
Mientras tanto, Bathe se está centrando en seguir desarrollando CanDo para permitir el diseño automatizado de origami de ADN. “Una vez que tenga una herramienta computacional automatizada que le permita diseñar formas complejas de una manera precisa, Creo que estamos en una posición mucho mejor para aprovechar esta tecnología para aplicaciones interesantes, ”, Dice.
Para que el origami de ADN tenga un impacto amplio, debe convertirse en una rutina simplemente ordenar partes de ADN para construir cualquier configuración que pueda soñar, Báñese dice. Señala:"Una vez que los no especialistas pueden diseñar nanoestructuras tridimensionales arbitrarias utilizando origami de ADN, su imaginación puede correr libremente ”.
