Los científicos de todo el mundo están utilizando la capacidad de programación del ADN para ensamblar estructuras complejas a escala nanométrica. Hasta ahora, sin embargo, La producción de estas estructuras artificiales se ha limitado a entornos a base de agua, porque el ADN funciona naturalmente dentro del ambiente acuoso de las células vivas.

Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han demostrado ahora que pueden ensamblar nanoestructuras de ADN en un disolvente que no contiene agua. También descubrieron que agregar una pequeña cantidad de agua a su solvente aumenta la velocidad de ensamblaje y proporciona un nuevo medio para controlar el proceso. El disolvente también puede facilitar la producción de estructuras más complejas al reducir el problema de que el ADN quede atrapado en estructuras no deseadas.

La investigación podría abrir nuevas aplicaciones para la nanotecnología del ADN, y ayudar a aplicar la tecnología del ADN a la fabricación de estructuras plasmónicas y semiconductoras a nanoescala. Patrocinado por la National Science Foundation y la NASA, la investigación se publicará como artículo de portada en el Volumen 54, Número 23 de la revista Edición internacional Angewandte Chemie .

"Las estructuras de la nanotecnología del ADN son cada vez más complejas, y este solvente podría ayudar a los investigadores que están trabajando en este campo en crecimiento, "dijo Nicholas Hud, profesor de la Escuela de Química y Bioquímica de Georgia Tech. "Con este trabajo, Hemos demostrado que las nanoestructuras de ADN se pueden ensamblar en un solvente sin agua, y que podemos mezclar agua con el mismo disolvente para agilizar el montaje. También podemos tomar las estructuras que se ensamblaron en este solvente mezclado con agua –eliminar el agua aplicando vacío– y mantener las estructuras de ADN intactas en el solvente libre de agua ”.

La velocidad de ensamblaje de las nanoestructuras de ADN puede ser muy lenta, y depende en gran medida de la temperatura. El aumento de la temperatura aumenta esta tasa, pero las temperaturas demasiado altas pueden hacer que las estructuras del ADN se desmoronen. El sistema de solventes desarrollado en Georgia Tech agrega un nuevo nivel de control sobre el ensamblaje del ADN. Las estructuras de ADN se ensamblan a temperaturas más bajas en este solvente, y agregar agua puede ajustar la viscosidad del solvente, lo que permite un montaje más rápido en comparación con la versión sin agua del solvente.

"Este solvente cambia las reglas, "dijo Isaac Gállego, investigador postdoctoral en el laboratorio de Hud y primer autor del artículo. "Ahora tenemos una herramienta que controla la cinética y la termodinámica del ensamblaje del ADN, todo en un solo solvente. Este solvente también ofrece propiedades mejoradas para la nanotecnología y para la estabilidad de estos nanomateriales en solución".

Gállego había trabajado en nanotecnología de ADN antes de llegar a Georgia Tech, y estaba convencido de que los disolventes alternativos podrían hacer avanzar este campo. En Georgia Tech evaluó nuevos disolventes para su uso con nanoestructuras de ADN, solventes que habían sido diseñados para otros propósitos. Un solvente que probó, llamada glicolina que es una mezcla de glicerol y cloruro de colina, permitió que una estructura de origami de ADN bidimensional se ensamblara en seis días a una temperatura de 20 grados centígrados.

La glicolina no solo ensambló la estructura del ADN a una temperatura relativamente baja, pero también evitó "trampas cinéticas, "estructuras intermedias que son estables, pero no la estructura deseada, Dijo Gállego. Las estructuras que no se ensamblan por completo son una fuente importante de bajos rendimientos en el proceso de nanofabricación de ADN.

"Este solvente podría proporcionar una nueva herramienta para hacer diseños más complicados con ADN porque puede evitar atrapar estas estructuras complejas en pasos intermedios, ", agregó." Las trampas cinéticas se encuentran entre los cuellos de botella para producir nanoestructuras de ADN más complicadas ".

La glicolina es miscible en agua. por lo que se puede mezclar en cualquier proporción con agua para controlar la cinética del proceso de ensamblaje. Por ejemplo, una estructura que se ensambla en seis días en solvente puro se ensamblará en tres horas en una solución de glicolina que contiene 10 por ciento de agua. Una característica clave del nuevo sistema de disolventes es que no requiere cambios en los diseños de nanotecnología de ADN existentes que se desarrollaron para el agua.

"Puede ir y venir entre estados hidratados y no hidratados, ", dijo Gállego." Este sistema solvente conserva las estructuras de ADN que se han desarrollado para trabajar en el agua ".

El sistema de solventes podría mejorar el uso combinado de nanopartículas metálicas y materiales basados ​​en ADN. En los disolventes acuosos típicos donde se realiza la nanotecnología de ADN, las nanopartículas son propensas a la agregación. La baja volatilidad del solvente también podría permitir el almacenamiento de estructuras de ADN ensambladas sin la preocupación de que se seque un medio a base de agua.

El equipo de investigación que también incluyó a Martha Grover de la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech, ha utilizado hasta ahora el disolvente para ensamblar tres estructuras, incluyendo dos estructuras de origami de ADN. En el trabajo futuro, esperan utilizar el control proporcionado por los disolventes sin agua para obtener reordenamientos estructurales dinámicos del ADN que no son posibles en el agua, e investigar otros disolventes que puedan tener propiedades adicionales atractivas para aplicaciones de nanotecnología.

"Confiábamos desde el principio en que encontraríamos un disolvente compatible con la nanotecnología de ADN existente, "agregó Hud, quien también es director del Centro NSF-NASA para la Evolución Química y director asociado del Instituto Parker H. Petit de Bioingeniería y Biociencia, ambos en Georgia Tech. "Lo sorprendente fue encontrar un solvente que permite el ensamblaje de estructuras más fácilmente que en el agua. Eso fue completamente inesperado porque la nanotecnología de ADN se desarrolló en el agua".

La investigación sobre disolventes sin agua surgió de la investigación de Georgia Tech sobre los orígenes de la vida. Hud y sus colegas se habían preguntado si las moléculas necesarias para la vida, como el antepasado del ADN, podría haberse desarrollado en una solución sin agua. En algunos casos, El lo notó, la química necesaria para hacer las moléculas de la vida sería mucho más fácil sin la presencia de agua.

"Este trabajo se inspiró en la investigación sobre los orígenes de la vida con la pregunta básica de si podrían existir estructuras complejas de ADN en disolventes no acuosos, y demostramos que pueden, ", dijo Hud." Y lo que hemos encontrado trabajando con estos nuevos solventes podría ayudar a responder algunas preguntas sobre los orígenes de la vida, al mismo tiempo que tiene aplicaciones en nanotecnología ".