Si las nuevas nanomáquinas construidas en la Universidad Estatal de Ohio parecen familiares, es porque se diseñaron teniendo en cuenta piezas mecánicas de tamaño completo, como bisagras y pistones.
El proyecto es el primero en demostrar que los mismos principios de diseño básicos que se aplican a las piezas típicas de máquinas de tamaño completo también se pueden aplicar al ADN, y pueden producir complejos, componentes controlables para futuros nano-robots.
En un artículo publicado esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , Los ingenieros mecánicos del estado de Ohio describen cómo utilizaron una combinación de ADN natural y sintético en un proceso llamado "origami de ADN" para construir máquinas que pueden realizar tareas repetidamente.
"La naturaleza ha producido máquinas moleculares increíblemente complejas a nanoescala, y uno de los principales objetivos de la bio-nanotecnología es reproducir su función de forma sintética, "dijo el líder del proyecto Carlos Castro, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial. "Donde la mayoría de los grupos de investigación abordan este problema desde un punto de vista biomimético, imitando la estructura de un sistema biológico, decidimos aprovechar el campo bien establecido del diseño de máquinas macroscópicas en busca de inspiración".
"En esencia, estamos utilizando un sistema biomolecular para imitar sistemas de ingeniería a gran escala para lograr el mismo objetivo de desarrollar máquinas moleculares, " él dijo.
Por último, la tecnología podría crear nano-robots complejos para administrar medicamentos dentro del cuerpo o realizar mediciones biológicas a nanoescala, entre muchas otras aplicaciones. Como los Transformers ficticios, "una máquina de origami de ADN podría cambiar de forma para diferentes tareas.
"Estoy muy emocionado con esta idea, ", Dijo Castro." Creo que, en última instancia, podemos construir algo como un sistema Transformer, aunque quizás no como en las películas. Pienso en ello más como una nano-máquina que puede detectar señales como la unión de una biomolécula, procesar información basada en esas señales, y luego responder en consecuencia, tal vez generando una fuerza o cambiando de forma ".
El método de origami de ADN para hacer nanoestructuras se ha utilizado ampliamente desde 2006, y ahora es un procedimiento estándar para muchos laboratorios que están desarrollando sistemas electrónicos y de administración de fármacos en el futuro. Implica tomar largas hebras de ADN y persuadirlas para que se doblen en diferentes formas, luego asegurando ciertas partes junto con "grapas" hechas de hebras de ADN más cortas. La estructura resultante es lo suficientemente estable para realizar una tarea básica, como llevar una pequeña cantidad de medicamento dentro de una estructura de ADN similar a un recipiente y abrir el recipiente para liberarlo.
Para crear nano-máquinas más complejas que pudieran realizar tales tareas repetidamente, Castro se unió a Haijun Su, también es profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en Ohio State. Conjunto, los dos equipos de investigación tienen experiencia en nanotecnología, biomecánica, ingeniería de máquinas y robótica.
Castro dijo que hay dos claves para su enfoque único para diseñar y controlar el movimiento de las máquinas. El primero implica flexibilizar ciertas partes de la estructura. Hacen piezas flexibles a partir de ADN monocatenario, y partes más rígidas de ADN bicatenario.
La segunda clave implica "ajustar" las estructuras del ADN para que los movimientos de las máquinas sean reversibles y repetibles. Los investigadores salpican sus estructuras con hebras de ADN sintético que cuelgan de los bordes como el toldo de un techo. En lugar de unir partes de la máquina de forma permanente, Estos hilos están diseñados para actuar como tiras de cierres de velcro:se pegan o despegan según las señales químicas del entorno de la máquina.
En el laboratorio, Los estudiantes de doctorado Alexander Marras y Lifeng Zhou tomaron largas hebras de ADN de un bacteriófago, un virus que infecta a las bacterias y es inofensivo para los humanos, y las "engraparon" con hebras cortas de ADN sintético.
Primero, unieron dos "planchas" rígidas de ADN con grapas flexibles a lo largo de un borde para crear una bisagra simple. Castro comparó el proceso con "conectar dos 2x4 de madera con trozos muy cortos de cuerda a lo largo del borde de 4 pulgadas en un extremo".
También construyeron un sistema que movía un pistón dentro de un cilindro. Esa máquina usó cinco tablas, tres bisagras y dos tubos de diferentes diámetros, todos hechos de piezas de ADN bicatenario y monocatenario.
Para probar si las máquinas se movían correctamente, las fotografiaron con microscopía electrónica de transmisión. También etiquetaron el ADN con etiquetas fluorescentes, para que pudieran observar los cambios de forma con un espectrofluorómetro. Las pruebas confirmaron que las bisagras se abrieron y cerraron y el pistón se movió hacia adelante y hacia atrás, y que los investigadores podían controlar el movimiento con la adición de señales químicas a la solución. como hebras adicionales de ADN.
Este enfoque de diseñar uniones simples y conectarlas entre sí para hacer sistemas de trabajo más complejos es común en el diseño de máquinas macroscópicas. pero esta es la primera vez que se hace con ADN, y la primera vez que alguien ha ajustado el ADN para producir la activación reversible de un mecanismo complejo.
El equipo de investigación ahora está trabajando para ampliar el diseño de mecanismos para afinar las máquinas, y también intentarán aumentar la producción de las máquinas para un mayor desarrollo.
