En un nuevo descubrimiento que representa un paso importante para resolver un desafío de diseño crítico, El profesor de la Universidad Estatal de Arizona, Hao Yan, ha dirigido un equipo de investigación para producir una amplia variedad de estructuras 2-D y 3-D que amplían los límites del floreciente campo de la nanotecnología del ADN.
El campo de la nanotecnología del ADN utiliza las reglas de diseño de la naturaleza y las propiedades químicas del ADN para autoensamblarse en una colección de moléculas cada vez más compleja para aplicaciones biomédicas y electrónicas. Algunos de los logros del laboratorio Yan incluyen la construcción de estructuras similares a caballos de Troya para mejorar la administración de fármacos a las células cancerosas, nanocables de oro eléctricamente conductores, sensores de una sola molécula y robots moleculares programables.
Con sus obras arquitectónicas bioinspiradas, el grupo continúa explorando los límites geométricos y físicos de la construcción a nivel molecular.
"La gente en este campo está muy interesada en hacer estructuras de alambre o de malla, ", dijo Yan." Necesitábamos idear nuevos principios de diseño que nos permitan construir con más complejidad en tres dimensiones ".
En su último giro a la tecnología, El equipo de Yan creó nuevos objetos 2-D y 3-D que parecen arte de esferas con estructura de alambre y pinzas moleculares. tijeras, un tornillo, ventilador de mano, e incluso una telaraña.
El laboratorio Yan, que incluye a los colegas de ASU Biodesign Institute, Dongran Han, Suchetan Pal, Shuoxing Jiang, Jeanette Nangreave y el profesor asistente Yan Liu, publicaron sus resultados en la edición del 22 de marzo de Ciencias .
El giro en su 'de abajo hacia arriba, La estrategia de diseño molecular de Lego se centra en una estructura de ADN llamada unión de Holliday. En naturaleza, esta en forma de cruz, La estructura de ADN de doble apilado es como la parada de tráfico de 4 vías de la genética, donde 2 hélices de ADN separadas se encuentran en la temporalidad para intercambiar información genética. El cruce de Holliday es la encrucijada responsable de la diversidad de la vida en la Tierra, y asegura que los niños reciban una mezcla única de rasgos del ADN de una madre y un padre.
En naturaleza, la unión de Holliday retuerce las hebras de ADN de doble apilado en un ángulo de unos 60 grados, que es perfecto para intercambiar genes pero a veces frustrante para los científicos de nanotecnología del ADN, porque limita las reglas de diseño de sus estructuras.
"En principio, puede utilizar el andamio para conectar varias capas horizontalmente, "[que muchos equipos de investigación han utilizado desde el desarrollo del origami de ADN por Paul Rothemund de Cal Tech en 2006]. Sin embargo, cuando vas en dirección vertical, la polaridad del ADN le impide hacer múltiples capas, ", dijo Yan." Lo que teníamos que hacer es rotar el ángulo y obligarlo a conectarse ".
Hacer las nuevas estructuras que Yan imaginó requirió rediseñar la unión de Holliday girando y girando alrededor del punto de unión aproximadamente la mitad de una esfera de reloj, o 150 grados. Tal hazaña no se ha considerado en los diseños existentes.
"La idea inicial fue la parte más difícil, "dijo Yan." Tu mente no siempre ve las posibilidades, así que te olvidas de eso. Tuvimos que romper la barrera conceptual de que esto pudiera suceder ".
En el nuevo estudio, variando la longitud del ADN entre cada unión de Holliday, podrían forzar la geometría en las uniones de Holliday en una reordenación poco convencional, lo que hace que las uniones sean más flexibles para construir por primera vez en la dimensión vertical. Yan llama a la estructura en forma de parrilla de barbacoa del patio trasero una parrilla de ADN.
"¡Nos sorprendió que funcionó!" dijo Yan. "Una vez que vimos que realmente funcionaba, Fue relativamente fácil implementar nuevos diseños. Ahora parece fácil en retrospectiva. Si su mentalidad está limitada por las reglas convencionales, es muy difícil dar el siguiente paso. Una vez que das ese paso, se vuelve tan obvio ".
Los diseños de DNA Gridiron están programados en un ADN viral, donde una sola hebra de ADN en forma de espagueti se escupe y se dobla con la ayuda de pequeñas hebras de ADN que ayudan a moldear la estructura final del ADN. En un tubo de ensayo la mezcla se calienta, luego enfriado rápidamente, y todo se autoensambla y moldea en la forma final una vez enfriado. Próximo, utilizando tecnología sofisticada de imágenes AFM y TEM, pueden examinar las formas y tamaños de los productos finales y determinar que se han formado correctamente.
Este enfoque les ha permitido construir multicapa, Estructuras 3-D y objetos curvos para nuevas aplicaciones.
"La mayor parte de nuestro equipo de investigación se dedica ahora a encontrar nuevas aplicaciones para este conjunto de herramientas básicas que estamos creando, ", dijo Yan." Aún queda un largo camino por recorrer y muchas nuevas ideas por explorar. Solo necesitamos seguir hablando con biólogos, físicos e ingenieros para comprender y satisfacer sus necesidades ".
