Los pares de bases que se encuentran en el ADN son clave para su capacidad para almacenar información de codificación de proteínas, pero también confieren a la molécula propiedades estructurales útiles. Lograr que dos hebras complementarias de ADN se unan en una doble hélice puede servir como base de intrincados mecanismos físicos que pueden empujar y tirar de dispositivos de escala molecular.

Los ingenieros de la Universidad de Pensilvania han desarrollado "músculos" a nanoescala que funcionan según este principio. Al incorporar cuidadosamente hebras de ADN personalizado en diferentes capas de películas flexibles, pueden obligar a que esas películas se doblen, rizar e incluso dar la vuelta introduciendo la señal de ADN correcta. También podrían revertir estos cambios mediante diferentes señales de ADN.

Un día, la flexión de estos músculos podría usarse en dispositivos de diagnóstico, capaz de señalar cambios en la expresión génica desde el interior de las células.

Los investigadores demostraron este sistema en un estudio publicado en Nanotecnología de la naturaleza .

El estudio fue dirigido por John C. Crocker y Daeyeon Lee, profesores de Ingeniería Química y Biomolecular en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn, junto con Tae Soup Shim, quien era entonces asociado postdoctoral en ambos grupos de investigadores. David Chenoweth, profesor asistente de química en la Facultad de Artes y Ciencias de Penn, y So-Jung Park, profesora del Departamento de Química y Nanociencia de la Universidad Ewha Womans, Seúl también contribuyó al estudio. Otros coautores de Penn incluyen a Zaki G. Estephan, Zhaoxia Qian, Jacob H. Prosser y Su Yeon Lee, estudiantes graduados e investigadores postdoctorales en los departamentos de Ingeniería Química y Biomolecular, Ciencia e Ingeniería de Materiales y Química.

Los músculos a nanoescala del estudio están compuestos por nanopartículas de oro, que están conectados entre sí por ADN monocatenario. Los investigadores construyeron las películas capa por capa, introduciendo diferentes conjuntos de nanopartículas ligadas al ADN a diferentes profundidades. Cada conjunto de nanopartículas contenía enlaces con diferentes secuencias.

"La forma en que funciona la actuación, "Crocker dijo, "es que agregamos ADN monocatenario que es complementario a una parte de los puentes entre las partículas. Cuando ese ADN se difunde, convierte esos puentes en hélices de ADN de doble hebra ".

Debido a que la secuencia específica del ADN agregado está diseñada para coincidir con diferentes conjuntos de puentes de nanopartículas, los investigadores podrían apuntar a capas individuales de la película, formando puentes de doble hebra en solo esas capas.

Este mecanismo fue fundamental para que las películas se flexionaran, ya que los puentes monocatenarios y bicatenarios tienen diferentes longitudes.

"Da la casualidad de que los ADN bicatenarios son más largos que los ADN monocatenarios con el mismo número de bases, "Crocker dijo, "así que cuando la hebra agregada se une, el puente se alarga un poco y el material se expande. Si solo se expande una capa de la película, la película se riza ".

Los investigadores también diseñaron una forma de revertir los puentes a su original, estado monocatenario, deshaciendo este rizo. Las hebras que dan la señal de rizado también tienen un "mango" que no se une a los puentes. Al tirar de esta manija se divide la doble hélice que forma el ADN agregado.

"Hacemos el hilo que agregamos para expandir los puentes un poco más de lo necesario, "Crocker dijo." Después de que forma una doble hélice con el puente, hay otras 7 bases de ADN monocatenario sobrante que cuelgan a un lado del puente. Para revertir el proceso, agregamos una hebra de 'stripper' que es complementaria a la hebra de 'expansor' y el 'mango' extra colgante. En realidad, se hibrida con el mango colgante, y luego saca el hilo expansor del puente, formando una doble hélice en solución que se aleja flotando, permitiendo que el puente vuelva a ser más corto, forma monocatenaria ".

Lograr que las películas se doblen o se vuelquen por completo es solo una prueba de concepto por ahora, pero este comportamiento de flexión similar a un músculo podría tener una gran cantidad de aplicaciones a nanoescala.

Ser capaz de responder a una señal e ignorar totalmente la otra —es imposible para los sistemas que se flexionan en función de los cambios de temperatura o acidez— es fundamental para que funcionen como dispositivos de diagnóstico.

"Una aplicación 'lejana' en la que hemos pensado es en situaciones intracelulares en las que no podemos controlar exactamente las cosas con cables o equipos inalámbricos, Dijo Crocker. "Podríamos hacer un dispositivo que absorba o refleje una cierta longitud de onda de luz en función del espaciado de sus capas internas, y luego podríamos alterar ese espaciado usando una señal química. Esta señal podría ser un ARN mensajero, por lo que el dispositivo proporciona una lectura de expresión génica unicelular. Estos dispositivos intracelulares podrían leerse bajo un microscopio, o dentro del cuerpo mediante imágenes infrarrojas ".