ADN presente en casi todas las células, se utiliza cada vez más como material de construcción para construir pequeños, pero estructuras sofisticadas como 'caminantes de ADN' autónomos que pueden moverse a lo largo de la superficie de una micropartícula, etiquetas fluorescentes para aplicaciones de diagnóstico, 'Cajas de ADN' que sirven como vehículos inteligentes de administración de medicamentos programados para abrirse en los sitios de la enfermedad para liberar su contenido terapéutico. o fábricas programables de nanopartículas de tamaños y formas definidos para nuevas aplicaciones ópticas y electrónicas.
Para acomodar estas funciones, Investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de Harvard y de todo el mundo han desarrollado formas que permiten que las hebras de ADN se autoensamblen en estructuras 3D cada vez más complejas, como los origamis de ADN andamios. Origamis de ADN, sin embargo, tienen un tamaño limitado porque dependen de la disponibilidad de cordones de andamio que pueden ser difíciles de fabricar y manipular. En 2012, Peng Yin y su equipo en el Instituto Wyss presentaron un método alternativo en Naturaleza (2D) y Ciencias (3D) que se basa en 'ladrillos' de ADN, que no usan un andamio, sino que pueden conectarse como ladrillos de Lego entrelazados y, por lo tanto, se autoensamblan en estructuras del tamaño de un origami con formas prescritas.
Como se informó en Naturaleza , el equipo superó su tecnología en dos órdenes de magnitud, permitiendo que los ladrillos de ADN de próxima generación se autoensamblen en nanoestructuras tridimensionales que son 100 veces más complejas que las creadas con los métodos existentes. El origami de ADN y los ladrillos de ADN de primera generación se autoensamblan a partir de cientos de componentes únicos para producir nanoestructuras en la escala MegaDalton, mientras que el nuevo enfoque de ladrillos de ADN permite 10, 000 componentes para autoensamblar en estructuras del tamaño de GigaDalton (1 GigaDalton equivale a 1000 MegaDalton o mil millones de Dalton). El estudio proporciona herramientas computacionales fáciles de usar para diseñar nanoestructuras de ADN con cavidades complejas (y posiblemente superficies) que tienen el potencial de servir como componentes de construcción en numerosas aplicaciones nanotecnológicas en medicina e ingeniería.
"El principio y las capacidades prometedoras de nuestros ladrillos de ADN de primera generación nos llevaron a preguntarnos si podemos mejorar el sistema para lograr nanoestructuras significativamente más complejas con rendimientos mucho más altos en reacciones de ensamblaje en un solo recipiente. Aquí logramos hacer todo esto. Trabajamos crear una plataforma práctica de fácil acceso que permite a los investigadores con intereses y aplicaciones muy diferentes crear un lienzo molecular con 10, 000 ladrillos y utilícelos para construir nanoestructuras con complejidades y potencial sin precedentes, "dijo el autor correspondiente Yin, Doctor., que es miembro del cuerpo docente principal del Wyss Institute, co-líder de la Iniciativa de Robótica Molecular del Instituto, y profesor de Biología de Sistemas en la Facultad de Medicina de Harvard.
La tecnología de bloques de ADN se basa en la naturaleza estable y altamente programable del ADN. Un solo bloque de ADN es una hebra corta de ADN sintético formada por una secuencia predefinida de las cuatro bases de nucleótidos universales:adenina (A), citosina (C), guanina (G), y timina (T). Los investigadores del Instituto Wyss crean grandes nanoestructuras 3D mezclando varios ladrillos, cada uno con su propia secuencia única de nucleótidos que está diseñada para encajar y unirse a un dominio complementario de bases de nucleótidos en otro ladrillo para que puedan autoensamblarse. En la nueva versión de la tecnología, variando la longitud de los dominios de unión individuales dentro de los ladrillos, el equipo terminó con una diversidad sustancialmente mayor entre los posibles ladrillos que, además, se unen mucho más fuerte el uno al otro. El estudio también desarrolló un software de computadora fácil de usar para que los diseñadores puedan simplemente ingresar una forma 3D requerida y recibir automáticamente una lista de secuencias de ladrillos de ADN que se pueden sintetizar y usar para formar la estructura deseada.
"Demostramos las capacidades de nuestra tecnología mediante la construcción de cuboides masivos que contienen hasta 30, 000 ladrillos y mostró algunas formas ejemplares que se pueden construir a partir de subconjuntos de esos ladrillos. Es notable que los ladrillos pudieran distinguir entre decenas de miles de socios potenciales para encontrar a sus vecinos correctos. y fue emocionante ver que la técnica de los ladrillos de ADN podría usarse para formar cavidades bastante complejas, como un oso de peluche, la palabra 'AMOR' o una tira de Möbius, entre muchos otros, "dijo la primera autora Luvena Ong, Doctor., ex estudiante de posgrado en el laboratorio de Yin y ahora investigador investigador en Bristol-Myers Squibb.
El equipo de Yin colaboró con investigadores del Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) y el Instituto Nacional Francés de Salud e Investigación Médica (INSERM) en Montpellier, Francia y el Instituto Max Planck de Bioquímica en Munich, Alemania desplegará una colección de métodos de microscopía de última generación para visualizar las cavidades diseñadas en cuboides 3D. “Las estructuras de cavidades compuestas por ladrillos de ADN son de gran interés ya que ofrecen la posibilidad de diseñar nanocontenedores en los que biomoléculas como proteínas pueden colocarse en arreglos muy definidos para estudiar sus interacciones y aprovechar sus actividades, "dijo el coautor correspondiente, Yonggang Ke, Doctor., quien desarrolló la primera plataforma de ladrillos de ADN con Yin como becario postdoctoral en el Instituto Wyss, y ahora es profesor asistente en el Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad de Emory. Ke, trabajando junto con su estudiante de posgrado Pengfei Wang, fue fundamental en el avance de la tecnología a su nueva versión. "Al agregar restos funcionales a los ladrillos de ADN que pueden llevar a cabo procesos de ensamblaje y enzimáticos, se pueden convertir en herramientas poderosas para procesos de nanofabricación comerciales y biomédicos a una nueva escala, "dijo Ke. Los investigadores creen que, en el futuro, el método también podría usarse para generar grandes nanoestructuras con superficies exteriores esculpidas y específicas de la aplicación.
"La forma en que está evolucionando la tecnología multifacética de ladrillos de ADN muestra cómo la Iniciativa de Robótica Molecular del Instituto Wyss puede profundizar en el campo de la nanotecnología del ADN para permitir nuevos enfoques que podrían resolver muchos problemas del mundo real, "dijo el director fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MARYLAND., Doctor., quien también es el Profesor Judah Folkman de Biología Vascular en HMS y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, así como Profesor de Bioingeniería en SEAS.
