Se han derribado dos barreras importantes para el avance de la nanotecnología del ADN más allá del laboratorio de investigación. Esta tecnología emergente emplea ADN como material de construcción programable para autoensamblado, estructuras a escala nanométrica. Se han previsto muchas aplicaciones prácticas, y los investigadores demostraron recientemente un canal de membrana sintético hecho de ADN. Hasta ahora, sin embargo, Los procesos de diseño se vieron obstaculizados por la falta de retroalimentación estructural. El montaje fue lento y, a menudo, de mala calidad. Ahora, los investigadores dirigidos por el profesor Hendrik Dietz de la Technische Universitaet Muenchen (TUM) han eliminado estos obstáculos.

Una barrera que frenaba el campo era una suposición no probada. Los investigadores pudieron diseñar una amplia variedad de objetos discretos y especificar exactamente cómo las hebras de ADN deberían unirse y doblarse en las formas deseadas. Podían demostrar que las nanoestructuras resultantes coincidían estrechamente con los diseños. Aún falta, aunque, fue la validación del control posicional preciso asumido a escala subnanométrica. Esto se ha confirmado por primera vez mediante el análisis de un objeto de prueba diseñado específicamente para ese propósito. Un avance técnico basado en avances en la comprensión fundamental, esta demostración ha proporcionado una verificación de la realidad crucial para la nanotecnología del ADN.

En un conjunto separado de experimentos, los investigadores descubrieron que el tiempo que lleva hacer un lote de objetos complejos basados ​​en ADN se puede reducir de una semana a unos minutos, y que el rendimiento puede ser cercano al 100%. Demostraron por primera vez que a temperatura constante, cientos de hebras de ADN pueden plegarse cooperativamente para formar un objeto, correctamente, como se diseñó, en minutos. Asombrosamente, ellos dicen, el proceso es similar al plegamiento de proteínas, a pesar de las importantes diferencias químicas y estructurales. "Al ver esta combinación de plegado rápido y alto rendimiento, "Dietz dice, "tenemos una sensación más fuerte que nunca de que la nanotecnología de ADN podría conducir a un nuevo tipo de fabricación, con un comercial, incluso futuro industrial ". Y hay beneficios inmediatos, añade:"Ahora no tenemos que esperar una semana para recibir comentarios sobre un diseño experimental, y los procesos de ensamblaje de varios pasos de repente se han vuelto mucho más prácticos ".

Control atómicamente preciso

Para probar la suposición de que los objetos de ADN discretos podrían ensamblarse como se diseñaron con una precisión subnanométrica, Los biofísicos de TUM colaboraron con científicos del Laboratorio de Biología Molecular MRC en Cambridge, REINO UNIDO. Produjeron un relativamente grande, estructura tridimensional basada en ADN, asimétrico para ayudar a determinar la orientación, e incorporando motivos de diseño distintivos.

Las imágenes de resolución subnanométrica con microscopía electrónica de baja temperatura permitieron a los investigadores mapear el objeto, que comprende más de 460, 000 átomos, con detalle a escala subnanométrica. Porque el objeto incorpora, en efecto, toda una biblioteca de diferentes elementos de diseño, también servirá como recurso para estudios posteriores. Los resultados, reportado en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , no solo demuestran un ensamblaje atómicamente preciso, pero también muestran que tales estructuras, antes se pensaba que era gelatinoso y flexible, son lo suficientemente rígidos para ser examinados por microscopía electrónica.

Procesamiento rápido, rendimientos cercanos al 100%

A diferencia de, Objetos de ADN con 19 diseños diferentes, incluidos en forma de placa, como un engranaje y formas similares a ladrillos - se utilizaron para una segunda serie de experimentos en TUM, informó en el último número de Ciencias . Aquí, el enfoque principal de los investigadores fue la dinámica del plegamiento y despliegue del ADN. El proceso habitual de autoensamblaje se describe a menudo como una "reacción de un solo recipiente":hebras de ADN que servirán como plantilla, instrucciones, y los materiales de construcción para un objeto diseñado se colocan juntos a una temperatura relativamente alta donde permanecerán separados; la temperatura se baja gradualmente, y en algún lugar a lo largo de la línea, las hebras de ADN se unen para formar las estructuras deseadas.

Observando este proceso con un detalle sin precedentes, los investigadores de TUM descubrieron que toda la acción tiene lugar dentro de un rango de temperatura específico y relativamente estrecho, que difiere según el diseño del objeto. Una implicación práctica es que, una vez que se ha determinado la temperatura óptima para un diseño dado, Autoensamblaje de ADN - nanofabricación, en esencia, podría lograrse mediante procesos rápidos a temperaturas constantes. Siguiendo esta pista, los investigadores encontraron que podían "producir en masa" objetos hechos de cientos de hebras de ADN en minutos en lugar de días, casi sin objetos o subproductos defectuosos en el lote resultante.

"Además de decirnos que los objetos de ADN complejos se pueden fabricar, "Dietz dice, "Estos resultados sugieren algo que antes apenas nos atrevíamos a imaginar:que podría ser posible ensamblar nanodispositivos de ADN en un cultivo celular o incluso dentro de una célula viva".

Desde el punto de vista de la biología fundamental, el resultado más intrigante de estos experimentos puede ser el descubrimiento de que el plegamiento del ADN se asemeja al plegamiento de proteínas más de lo previsto. Química y estructuralmente, las dos familias de biomoléculas son bastante diferentes. Pero los investigadores observaron pasos "cooperativos" claramente definidos en el plegado de objetos de ADN complejos, no es diferente en principio de los mecanismos que operan en el plegamiento de proteínas. Especulan que nuevos experimentos con el autoensamblaje de objetos de ADN diseñados podrían ayudar a desentrañar los misterios del plegamiento de proteínas. que es más complejo y menos accesible al estudio directo.