Cuando se trata de combinar la simplicidad con un asombroso potencial creativo, El ADN puede tener el premio. Construido a partir de un alfabeto de solo cuatro ácidos nucleicos, El ADN proporciona el plano a partir del cual se construye toda la vida terrestre.

Pero la notable versatilidad del ADN no termina ahí. Los investigadores han logrado convencer a segmentos de ADN para que realicen una serie de trucos útiles. Las secuencias de ADN pueden formar circuitos lógicos para aplicaciones nanoelectrónicas. Se han utilizado para realizar sofisticados cálculos matemáticos, como encontrar el camino óptimo entre varias ciudades. Y el ADN es la base de una nueva generación de diminutos robots y nanomáquinas. Mide miles de veces más pequeño que una bacteria, tales dispositivos pueden realizar una multitud de tareas.

En una nueva investigación, Hao Yan de la Universidad Estatal de Arizona y sus colegas describen un innovador caminante de ADN, capaz de atravesar rápidamente una pista preparada. En lugar de lento, pasos tentativos a través de una superficie, el ADN acróbata volteretas locas, cubriendo el suelo de 10 a 100 veces más rápido que los dispositivos anteriores.

"Es emocionante ver que los caminantes de ADN pueden aumentar su velocidad de manera significativa al optimizar la longitud y las secuencias de las cadenas de ADN, el esfuerzo colaborativo realmente hizo que esto sucediera, "Dijo Yan.

Yan es el Profesor Distinguido Milton D. Glick de Química y Bioquímica en ASU y director del Centro de Biodesign para Diseño Molecular y Biomimética.

El estudio fue dirigido por Nils G. Walter, Francis S. Collins Profesor Colegiado de Química, Biofísica y Química Biológica, director fundador del Centro de Análisis de Moléculas Únicas en Tiempo Real (SMART) y codirector fundador del Centro de Biomedicina de ARN de la Universidad de Michigan, y su equipo, junto a colaboradores del Instituto Wyss, el Instituto de Cáncer Dana Farber y el Departamento de Química Biológica de Harvard (todos en Boston, Massachusetts).

"El truco consistía en hacer que el caminante se volviera loco, que es mucho más rápido que los saltos que se usaban antes, tal como verías en una película de acción de kung fu donde el héroe acelera dando volteretas para atrapar al villano, "dice Walter.

Las mejoras en la velocidad y la locomoción mostradas por el nuevo andador deberían fomentar más innovaciones en el campo de la nanotecnología del ADN.

Los hallazgos del grupo aparecen en la edición avanzada en línea de la revista. Nanotecnología de la naturaleza .

Construyendo con ADN

Los nanoarquitectos construyen sus estructuras de ADN, motores y circuitos que utilizan el mismo principio básico que la naturaleza. Los cuatro nucleótidos, etiquetado A, T, C y G, se unen entre sí de acuerdo con una regla simple y predecible:Cs siempre se emparejan con Gs y As siempre se emparejan con Ts. Por lo tanto, Se pueden programar diferentes longitudes de ADN para autoensamblarse, encajándose para formar una variedad ilimitada de nanoestructuras bidimensionales y tridimensionales. Con ingenioso refinamiento, Los investigadores han podido equipar sus nano-creaciones, una vez estáticas, con propiedades dinámicas.

Una de las aplicaciones más innovadoras de la nanotecnología del ADN ha sido el diseño de dispositivos robóticos para caminar compuestos por hebras de ADN que se mueven sucesivamente de forma escalonada a lo largo de un camino. El método que permite que los segmentos de ADN se muevan por un área definida se conoce como desplazamiento de hebra.

El proceso funciona así:una pata del dispositivo robótico es la hebra de ADN 1, que está unido a la hebra complementaria 2, a través del emparejamiento de bases normal. La hebra 1 contiene un adicional, secuencia sin emparejar colgando de su final, que se conoce como el punto de apoyo.

Próximo, Se encuentra la cadena 3 de ADN. Esta hebra es complementaria a la hebra de ADN 1 e incluye una secuencia de puntal complementaria a la hebra de ADN 1. Una vez que la puntera de la hebra 3 se une con la puntera de la hebra 1, comienza a desplazar secuencialmente cada hebra de 2 nucleótidos, uno a uno, hasta que la hebra 2 se haya reemplazado por completo por la hebra 3. La hebra 2 se disocia de la hebra 1 y el proceso puede comenzar de nuevo. (Ver figura 1).

Toehold-mediated strand displacement, which forms the basis of other DNA nanodevices, allows DNA structures to move from one complementary foothold on the walking surface to the next. As each DNA strand is displaced by a new strand, the nano-creature takes a step forward.

Race walking

Successful DNA walkers of various kinds have been designed and have demonstrated the ability to ferry nano-sized cargo from place to place. Hasta ahora, sin embargo, the strand displacement reactions they rely on have been slow, generally requiring several minutes to move a short distance. This is much slower than naturally occurring processes in living systems like protein motors, which can perform feats of dissociation similar to strand displacement in much faster time frames.

While theoretical calculations suggest that individual operations by such nanodevices should occur in seconds or less, in practice, such operations typically require minutes or even hours. (A recently designed cargo-sorting walker for example required 5 minutes for each step, with foothold spacings just 6 nm apart. This speed was on a par with similar strand-displacement walkers.)

En el nuevo estudio, researchers sought to optimize this process to see how quickly a walker designed with speed in mind could move. The limiting factor in terms of speed did not appear to be the strand displacement process itself, but rather the lack of fine-tuned optimization in the overall walker design.

The team redesigned their walker for maximum speed and used a fluorescent imaging technique known as smFRET (for single-molecule fluorescence resonance imaging transfer) to chart the DNA walker's progress and evaluate its subtle kinetic properties.

By altering the lengths of toehold sequences and branching migration points, the stepping rate could be keenly optimized, making for a briskly moving nanorobot that left competitors in the dust, boasting stepping rates a full order of magnitude faster than previous DNA walkers.

Freewheeling nanorobot

Part of the robot's advantage over its competitors is due to its unusual technique of locomotion. Rather than simply stepping from one surface foothold to the next, the acrobatic walker moves head over heels in a cartwheel fashion, while remaining securely bound to at least one foothold at all times.

The stability of the double-stranded sequences anchoring the base of the robot to the track surface, while the free toehold searches out the next complementary sequence, may be one factor improving the walker's speed. The cartwheeling design also allows strand displacement to sequentially proceed in a direction away from the foothold surface, which improves efficiency.

Once the walker was optimized, super-resolved single particle tracking was used to observe the device's movement over a 2-D surface studded with footholds for the walker, covering a range of up to 2 microns. The best walker optimized in the study was able to search ~43 foothold sites per minute with a stepping distance of ~ 10nm. Strand displacement occurred at rates of about a tenth of a second. Analysis suggests the device can take hundreds of steps without dissociating.

Future steps

While still lagging behind naturally occurring protein reactions, the optimized cartwheeling walker offers a marked advancement in performance, representing an order of magnitude improvement over earlier versions, while not consuming any fuel. Borrowing further insights from natural systems may allow dynamical DNA devices like the walker to accelerate even more in the future by converting chemical energy into directed speed.

The study underlines the opportunities for optimization of a range of DNA nanostructures, considerably enhancing their speed and versatility.