(Phys.org) - Al unir secuencias cortas de ADN monocatenario a bloques de construcción a nanoescala, los investigadores pueden diseñar estructuras que puedan construirse ellos mismos de manera efectiva. Los bloques de construcción que están destinados a conectarse tienen secuencias de ADN complementarias en sus superficies, asegurándose de que solo las piezas correctas se unan mientras se empujan entre sí mientras están suspendidas en un tubo de ensayo.

Ahora, un equipo de la Universidad de Pensilvania ha hecho un descubrimiento con implicaciones para todas esas estructuras autoensambladas.

El trabajo anterior asumió que el medio líquido en el que flotan estas piezas recubiertas de ADN podría tratarse como un plácido vacío, pero el equipo de Penn ha demostrado que la dinámica de fluidos juega un papel crucial en el tipo y la calidad de las estructuras que se pueden hacer de esta manera.

A medida que las piezas recubiertas de ADN se reorganizan y se unen, crean corrientes de aire en las que pueden fluir otras piezas. Este fenómeno hace que algunos patrones dentro de las estructuras sean más propensos a formarse que otros.

La investigación fue realizada por los profesores Talid Sinno y John Crocker, junto con los estudiantes de posgrado Ian Jenkins, Marie Casey y James McGinley, todo el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn.

Fue publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

El descubrimiento del equipo de Penn comenzó con una observación inusual sobre uno de sus estudios anteriores, que trataba con una estructura cristalina reconfigurable que el equipo había hecho usando esferas de plástico recubiertas de ADN, cada 400 nanómetros de ancho. Estas estructuras se ensamblan inicialmente en cristales flexibles con patrones de forma cuadrada, pero, en un proceso similar al tratamiento térmico del acero, sus patrones se pueden convencer para que sean más estables, configuraciones triangulares.

Asombrosamente, las estructuras que estaban haciendo en el laboratorio eran mejores que las que predijeron sus simulaciones por computadora. Los cristales simulados estaban llenos de defectos, lugares donde se interrumpió el patrón cristalino de las esferas, pero los cristales cultivados experimentalmente estaban todos perfectamente alineados.

Si bien estos cristales perfectos eran una señal positiva de que la técnica podría ampliarse para construir diferentes tipos de estructuras, el hecho de que sus simulaciones fueran evidentemente defectuosas indicaba un obstáculo importante.

"Lo que ves en un experimento, "Sinno dijo, "suele ser una versión más sucia de lo que se ve en la simulación. Necesitamos entender por qué estas herramientas de simulación no funcionan si vamos a construir cosas útiles con esta tecnología, y este resultado fue evidencia de que aún no comprendemos completamente este sistema. No es solo un detalle de simulación lo que faltaba; hay un mecanismo físico fundamental que no estamos incluyendo ".

Por proceso de eliminación, el mecanismo físico faltante resultó ser efectos hidrodinámicos, esencialmente, la interacción entre las partículas y el fluido en el que están suspendidas mientras crecen. La simulación de la hidrodinámica de un sistema es fundamental cuando el fluido fluye, como la forma en que las rocas están formadas por un río torrencial, pero se ha considerado irrelevante cuando el fluido está quieto, como fue en los experimentos de los investigadores. Mientras que el empuje de las partículas perturba el medio, el sistema permanece en equilibrio, lo que sugiere que el efecto general es insignificante.

"La sabiduría convencional, "Crocker dijo, "fue que no es necesario considerar los efectos hidrodinámicos en estos sistemas. Agregarlos a las simulaciones es computacionalmente costoso, y hay varios tipos de pruebas de que estos efectos no cambian la energía del sistema. A partir de ahí, puedes dar un salto para decir:'No necesito preocuparme por ellos en absoluto' ".

Los sistemas de partículas como los hechos por estas esferas autoensambladas recubiertas de ADN generalmente se reorganizan hasta que alcanzan el estado de energía más bajo. Una característica inusual del sistema de los investigadores es que hay miles de configuraciones finales, la mayoría con defectos, que son tan energéticamente favorables como la perfecta que produjeron en el experimento.

"Es como si estuvieras en una habitación con mil puertas, "Dijo Crocker." Cada una de esas puertas te lleva a una estructura diferente, solo uno de los cuales es el cristal con patrón de cobre y oro que realmente obtenemos. Sin la hidrodinámica, es igualmente probable que la simulación te envíe a través de cualquiera de esas puertas ".

El avance de los investigadores se produjo cuando se dieron cuenta de que, si bien los efectos hidrodinámicos no harían que una configuración final fuera más favorable a la energía que otra, las diferentes formas en que las partículas necesitarían reorganizarse para llegar a esos estados no eran todas igualmente fáciles. Críticamente, Es más fácil para una partícula realizar un cierto reordenamiento si sigue la estela de otra partícula que realiza los mismos movimientos.

"Es como un deslizamiento ", Dijo Crocker." La forma en que las partículas se mueven juntas, es como si fueran un banco de peces ".

"Cómo vas determina lo que obtienes, "Sinno dijo." Hay ciertos caminos que tienen mucho más deslizamiento que otros, y los caminos que tienen mucho corresponden a las configuraciones finales que observamos en el experimento ".

Los investigadores creen que este hallazgo sentará las bases para el trabajo futuro con estos bloques de construcción recubiertos de ADN, pero el principio descubierto en su estudio probablemente se mantendrá en otras situaciones en las que las partículas microscópicas están suspendidas en un medio líquido.

"Si el slipstreaming es importante aquí, es probable que sea importante en otros conjuntos de partículas, "Sinno dijo. No se trata solo de estas partículas ligadas al ADN; se trata de cualquier sistema en el que haya partículas en esta escala de tamaño. Para comprender realmente lo que obtiene, es necesario incluir la hidrodinámica ".