Representación de un artista de un juego de tic-tac-toe jugado con fichas de ADN Crédito:Caltech
Muévete sobre Mona Lisa, aquí viene tic-tac-toe.
Hace aproximadamente un año que los científicos de Caltech en el laboratorio de Lulu Qian, profesor asistente de bioingeniería, anunció que habían utilizado una técnica conocida como origami de ADN para crear mosaicos que podrían diseñarse para autoensamblarse en nanoestructuras más grandes que llevan patrones prediseñados. Eligieron hacer la versión más pequeña del mundo de la icónica Mona Lisa.
La hazaña fue impresionante, pero la técnica tenía una limitación similar a la de las pinturas al óleo de Leonardo da Vinci:una vez creada la imagen, no se podía cambiar fácilmente.
Ahora, el equipo de Caltech ha dado otro salto adelante con la tecnología. Han creado nuevos mosaicos que son más dinámicos, permitiendo a los investigadores remodelar estructuras de ADN ya construidas. Cuando Paul Rothemund (BS '94) de Caltech fue pionero en el origami de ADN hace más de una década, usó la técnica para construir una cara sonriente. El equipo de Qian ahora puede convertir esa sonrisa en un ceño fruncido, y luego, si ellos quieren, alegrar esa cara. Y han ido aún más lejos, creando un juego microscópico de tic-tac-toe en el que los jugadores colocan sus X y O agregando fichas especiales de ADN al tablero.
"Desarrollamos un mecanismo para programar las interacciones dinámicas entre nanoestructuras complejas de ADN, "dice Qian". Con este mecanismo, Creamos el tablero de juego más pequeño del mundo para jugar al tic-tac-toe, donde cada movimiento implica una autoconfiguración molecular para intercambiar cientos de cadenas de ADN a la vez ".
Poniendo las piezas juntas
Ese mecanismo de intercambio combina dos nanotecnologías de ADN desarrolladas previamente. Utiliza los bloques de construcción de uno y el concepto general del otro:mosaicos autoensamblables, que se utilizaron para crear la pequeña Mona Lisa; y el desplazamiento de la hebra, que ha sido utilizado por el equipo de Qian para construir robots de ADN.
Ambas tecnologías hacen uso de la capacidad del ADN para ser programado mediante la disposición de sus moléculas. Cada hebra de ADN consta de una columna vertebral y cuatro tipos de moléculas conocidas como bases. Estas bases:adenina, guanina citosina y timina, abreviado como A, T, C, y G:se pueden organizar en cualquier orden, con el orden que representa la información que pueden utilizar las celdas, o en este caso por nanomáquinas de ingeniería.
La segunda propiedad del ADN que lo hace útil para construir nanoestructuras es que A, T, C, y las bases G tienen una tendencia natural a emparejarse con sus contrapartes. La base A se empareja con T, y C se empareja con G. Por extensión, cualquier secuencia de bases querrá emparejarse con una secuencia complementaria. Por ejemplo, ATTAGCA querrá emparejarse con TAATCGT.
Un par de secuencias de ADN complementarias unidas. Crédito:Instituto de Tecnología de California
Sin embargo, una secuencia también puede emparejarse con una secuencia parcialmente coincidente. Si se juntaran ATTAGCA y TAATACC, sus porciones de ATTA y TAAT se emparejarían, y las porciones que no coinciden colgarían de los extremos. Cuanto más se complementen dos hebras, cuanto más atraídos se sienten el uno por el otro, y más fuertemente se unen.
Las hebras de ADN parcialmente emparejadas dejan secuencias no emparejadas colgando de los extremos. Crédito:Instituto de Tecnología de California
Para imaginar lo que sucede en el desplazamiento de la hebra, imagina dos personas que están saliendo y tienen varias cosas en común. A Amy le gustan los perros senderismo, películas, e ir a la playa. A Adam le gustan los perros senderismo, y cata de vinos. Se unen por su interés compartido por los perros y el senderismo. Entonces, otra persona entra en escena. A Eddie le gustan los perros, senderismo, películas, y bolos. Amy se da cuenta de que tiene tres cosas en común con Eddie:y solo dos en común con Adam. Amy y Eddie se sienten fuertemente atraídos el uno por el otro, y Adam es abandonado, como una cadena de ADN desplazada.
Amy y Adam se emparejaron como hebras de ADN complementarias. Crédito:Instituto de Tecnología de California
Eddie y Amy tienen más en común y su vínculo es más fuerte. Como en el desplazamiento de la cadena de ADN, Amy se va con Eddie. Crédito:Instituto de Tecnología de California
Adam ahora está solo muy parecido a una hebra de ADN desplazada. Crédito:Instituto de Tecnología de California
La otra tecnología, tejas autoensamblables, es más sencillo de explicar. Esencialmente, Los azulejos, aunque todos de forma cuadrada, están diseñados para comportarse como las piezas de un rompecabezas. Cada mosaico tiene su propio lugar en la imagen ensamblada, y solo cabe en ese lugar.
Al crear su nueva tecnología, El equipo de Qian imbuyó las fichas de autoensamblaje con habilidades de desplazamiento. El resultado son fichas que pueden encontrar su lugar designado en una estructura y luego expulsar la ficha que ya ocupa esa posición. Mientras que Eddie simplemente se unió a una persona, causando que otro sea pateado a la acera, los mosaicos se parecen más a un niño adoptado que se conecta tan fuertemente con una nueva familia que le quitan el título de "favorito" a la descendencia biológica.
"En este trabajo, inventamos el mecanismo de desplazamiento de las baldosas, que sigue el principio abstracto del desplazamiento de hebras pero ocurre a mayor escala entre las estructuras de origami de ADN, "dice el ex estudiante graduado de Qian, Philip Petersen (Ph.D. '18), autor principal del estudio. "Este es el primer mecanismo que se puede utilizar para programar comportamientos dinámicos en sistemas de múltiples estructuras de origami de ADN que interactúan".
Vamos a jugar
Para comenzar el juego tic-tac-toe, El equipo de Qian mezcló una solución de placas en blanco en un tubo de ensayo. Una vez que la placa se ensambló, los jugadores se turnaron para agregar fichas X u O fichas a la solución. Debido a la naturaleza programable del ADN del que están hechos, las baldosas fueron diseñadas para deslizarse en puntos específicos del tablero, reemplazando las baldosas en blanco que habían estado allí. Se podría diseñar una ficha X para que solo se deslice hacia la esquina inferior izquierda del tablero, por ejemplo. Los jugadores podían poner una X o una O en cualquier lugar en blanco que quisieran usando fichas diseñadas para ir a donde quisieran. Después de seis días de un juego fascinante, el jugador X salió victorioso.
Obviamente, ningún padre se apresurará a comprarles a sus hijos un juego de tic-tac-toe que tarda casi una semana en jugar, pero tic-tac-toe no es realmente el punto, dice Grigory Tikhomirov, becario postdoctoral senior y co-primer autor del estudio. El objetivo es utilizar la tecnología para desarrollar nanomáquinas que se puedan modificar o reparar una vez que ya se hayan construido.
"Cuando se pincha una llanta, es probable que simplemente lo reemplace en lugar de comprar un automóvil nuevo. Tal reparación manual no es posible para máquinas a nanoescala, ", dice." Pero con este proceso de desplazamiento de baldosas descubrimos, es posible reemplazar y actualizar múltiples partes de máquinas a nanoescala diseñadas para hacerlas más eficientes y sofisticadas ".
Su papel titulado "Reconfiguración autónoma basada en información en sistemas de nanoestructuras de ADN que interactúan, "aparece en la edición del 18 de diciembre de Comunicaciones de la naturaleza .
