Durante las últimas décadas, los científicos se han inspirado en el plano de la vida, ADN como la forma de lo que vendrá para la nanotecnología.

Este campo floreciente se llama origami de ADN. El científico tomó prestado su apodo de los artistas del papel que evocan pájaros, flores y aviones de doblar imaginativamente una sola hoja de papel.

Similar, Los científicos de ADN origami están soñando con una variedad de formas, a una escala mil veces más pequeña que un cabello humano, que esperan que algún día revolucionen la computación. electrónica y medicina.

Ahora, un equipo de científicos del estado de Arizona y de Harvard ha inventado un importante avance en la nanotecnología del ADN. Apodado "origami de una sola hebra, "su nueva estrategia utiliza una larga, fina hebra de ADN similar a un fideo, o su primo químico ARN, que se puede plegar por sí mismo, sin ni siquiera un nudo, en el más grande, estructuras más complejas hasta la fecha.

Y, las hebras que forman estas estructuras se pueden producir dentro de las células vivas o usando enzimas en un tubo de ensayo, permitiendo a los científicos el potencial de enchufar y jugar con nuevos diseños y funciones para nanomedicina, como diminutos, nanobots jugando al médico y administrando medicamentos dentro de las células en el lugar de la lesión.

"Creo que este es un gran avance, y también una gran oportunidad para la biología sintética, "dijo Hao Yan, un coinventor de la tecnología, director del Centro de Diseño Molecular y Biomimética del Instituto ASU Biodesign, y el profesor Milton Glick de la Facultad de Ciencias Moleculares.

"Siempre nos inspiramos en los diseños de la naturaleza para crear moléculas portadoras de información que puedan auto-plegarse en las formas a nanoescala que queremos hacer, "

Como prueba de concepto, han empujado el sobre para hacer caras sonrientes como emoji, corazones, formas triangulares (18 formas en total) que amplían significativamente el espacio del estudio de diseño y la escalabilidad del material para los llamados, nanotecnología "de abajo hacia arriba".

El tamaño importa

Hasta la fecha, Los científicos de la nanotecnología del ADN han tenido que depender de dos métodos principales para hacer estructuras direccionables espacialmente con dimensiones finitas.

El primero fueron los ladrillos moleculares, pequeña, trozos cortos de ADN que se pueden plegar para formar una sola estructura. El segundo método fue ADN andamio, donde una sola hebra se forma en una estructura mediante el uso de hebras auxiliares de ADN, que grapan la estructura en su lugar.

"Estos dos métodos no son muy escalables en términos de síntesis, "dijo Fei Zhang, un coautor principal del artículo. "Cuando tienes tantos fragmentos cortos de ADN, no se puede replicar usando sistemas biológicos. Una forma de evitar esto es diseñar un hilo largo que pueda plegarse en cualquier diseño o arquitectura ".

Es más, cada método ha sido limitado porque a medida que aumenta el tamaño de la estructura, la capacidad de plegarse correctamente se vuelve más desafiante.

Ahora, hay una nueva tercera vía.

Para que Yan y su equipo logren un gran avance, tuvieron que volver a la mesa de dibujo, lo que significaba mirar de nuevo a la naturaleza en busca de inspiración. Encontraron lo que buscaban con un primo químico del ADN, en forma de complejo, Estructuras de ARN.

Las complejas estructuras de ARN descubiertas hasta la fecha contienen moléculas de ARN monocatenarias que se auto-pliegan en estructuras sin ningún nudo topológico. ¿Podría este truco funcionar de nuevo para origami de ADN o ARN monocatenario?

Pudieron descifrar el código de cómo el ARN crea estructuras para desarrollar una arquitectura de origami monocatenaria totalmente programable.

"La innovación clave de nuestro estudio es utilizar ADN y ARN para construir una estructura estructuralmente compleja pero sin nudos que se pueda plegar sin problemas a partir de una sola hebra, ", Dijo Yan." Esto nos dio una estrategia de diseño que nos permitió plegar una hebra larga en una arquitectura compleja ".

"Con la ayuda de un informático del equipo, También podríamos codificar el proceso de diseño como un algoritmo formal matemáticamente riguroso y automatizar el diseño mediante el desarrollo de una herramienta de software fácil de usar. "dijo Yan.

El algoritmo y el software fueron validados por el diseño automatizado y la construcción experimental de seis estructuras distintas de ADN ssOrigami (cuatro rombos y dos formas de corazón).

Forma y función

Una cosa es crear patrones ingeniosos y caras sonrientes con ADN, pero los críticos del origami de ADN se han estado preguntando cuándo se producirán las aplicaciones prácticas.

Ahora, estos son posibles. "Creo que estamos mucho más cerca de las aplicaciones prácticas reales de la tecnología, ", dijo Yan." Estamos buscando activamente las primeras aplicaciones de nanomedicina con nuestra tecnología ssOrigami ".

También pudieron demostrar que una estructura plegada de ssOrigami se puede fundir y utilizar como plantilla para la amplificación mediante enzimas que copian el ADN en un tubo de ensayo y que la hebra de ssOrigami se puede replicar y amplificar mediante la producción clonal en células vivas.

"Las nanoestructuras de ADN monocatenario formadas mediante el auto-plegado ofrecen un mayor potencial de amplificación, replicable y clonable, y, por lo tanto, la oportunidad de rentabilizar producción a gran escala mediante replicación enzimática y biológica, así como la posibilidad de utilizar la evolución in vitro para producir fenotipos y funcionalidades sofisticados, "dijo Yan.

Estas mismas reglas de diseño podrían usarse para el primo químico del ADN, ARN.

Una característica clave del diseño del origami monocatenario (ssOrigami) es que la hebra se puede hacer y copiar en el laboratorio y en células vivas y, posteriormente, plegarse en estructuras de diseño calentando y enfriando el ADN.

Para hacerlo dentro del laboratorio, utilizaron la fotocopiadora de secuencias de clonación, llamado PCR, para replicar y producir ssDNA.

Dentro de las células vivas primero lo colocaron dentro de una mula de clonación molecular, llamado plásmido, después de que se colocó en un laboratorio común, bacterias llamadas células de E. coli. Cuando trataron las bacterias con enzimas para liberar el ssDNA, podrían aislarlo, y luego dóblelo en su estructura de destino.

"Debido a que el ADN plasmídico se puede replicar fácilmente en E. coli, la producción se puede aumentar al cultivar un gran volumen de células de E. coli a bajo costo, "dijo Yan. Esto evita la limitación de tener que sintetizar todo el ADN en el laboratorio desde cero, que es mucho más caro.

También los mueve en una dirección ahora, donde potencialmente pueden hacer las estructuras dentro de las células.

"Aquí mostramos bacterias para hacer la hebra, pero todavía es necesario realizar un recocido térmico fuera de las bacterias para formar la estructura, ", dijo Yan." La situación ideal sería diseñar una secuencia de ARN que se pueda transcribir dentro de la bacteria, y se pliegan dentro de las bacterias para que podamos usar las bacterias como una nanofábrica para producir el material ".

Aquí, demostraron un marco para diseñar y sintetizar una sola hebra de ADN o ARN para auto-plegarse eficientemente en una estructura de ssOrigami compacta sin nudos que se aproxima a cualquier forma objetivo arbitraria prescrita por el usuario.

"Su monocatenario permitió la demostración de una replicación fácil de la cadena in vitro y en células vivas, y su capacidad de programación nos permitió codificar el proceso de diseño y desarrollar una sencilla herramienta de diseño automatizada basada en la web ".

Una nueva escuela de diseño

En el software (consulte http://dna.kwonan.com/), realizado a través de una colaboración con BioNano Research Group, Investigación de Autodesk, primero, el usuario selecciona una forma de destino, que se convierte en representación pixelada. El usuario puede cargar una imagen 2D o dibujar una forma utilizando un editor de diseño de píxeles 2D.

El usuario puede agregar opcionalmente horquillas o bucles de ADN, que pueden servir como marcadores de superficie o identificadores para adjuntar entidades externas. Los píxeles se convierten en dominios helicoidales de ADN y dominios de bloqueo para realizar el plegado. A continuación, el software generará estructuras y secuencias de ssOrigami, y el usuario puede ver la estructura molecular a través de un visor molecular integrado. Finalmente, la secuencia de ADN se asigna a la cadena del ciclo, y la estructura doblada esperada fabricada en el laboratorio y confirmada visualmente al verla bajo un poderoso microscopio que son los ojos de la nanotecnología, Fuerza atómica microscópica, o AFM.

"Realmente hemos aumentado la complejidad a la vez que reducimos los costos, ", dijo Yan." Este estudio amplía significativamente el espacio de diseño y la escalabilidad de la nanotecnología ascendente, y abre la puerta a las aplicaciones sanitarias ".