Así como la máquina de vapor preparó el escenario para la Revolución Industrial, y micro transistores provocaron la era digital, Los dispositivos a nanoescala hechos de ADN están abriendo una nueva era en la investigación biomédica y la ciencia de los materiales.

El periódico Ciencias describe los usos emergentes de los dispositivos mecánicos de ADN en un artículo de "Perspectiva" de Khalid Salaita, profesor de química en la Universidad de Emory, y Aaron Blanchard, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Biomédica de Wallace H. Coulter, un programa conjunto del Instituto de Tecnología de Georgia y Emory.

El artículo anuncia un nuevo campo, que Blanchard denominó "mecanotecnología del ADN, "para diseñar máquinas de ADN que generen, transmitir y sentir fuerzas mecánicas a nanoescala.

"Por mucho tiempo, "Salaita dice, "los científicos han sido buenos en la fabricación de microdispositivos, cientos de veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. Ha sido más difícil fabricar nanodispositivos funcionales, miles de veces más pequeño que eso. Pero el uso de ADN como componentes está haciendo posible la construcción de nanodispositivos extremadamente elaborados porque las partes del ADN se autoensamblan ".

ADN o ácido desoxirribonucleico, almacena y transmite información genética como un código compuesto por cuatro bases químicas:adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Las bases de ADN tienen una afinidad natural para emparejarse entre sí:A con T y C con G. Las hebras sintéticas de ADN se pueden combinar con las hebras de ADN natural de bacteriófagos. Moviendo la secuencia de letras en las hebras, los investigadores pueden hacer que las hebras de ADN se unan de manera que creen diferentes formas. La rigidez de las hebras de ADN también se puede ajustar fácilmente, para que permanezcan rectos como un espagueti seco o se doblen y enrollen como espaguetis hervidos.

La idea de utilizar el ADN como material de construcción se remonta a la década de 1980, cuando el bioquímico Nadrian Seeman fue pionero en la nanotecnología del ADN. Este campo utiliza hebras de ADN para fabricar dispositivos funcionales a nanoescala. La capacidad de hacer estos precisos, Las estructuras tridimensionales comenzaron como una novedad, apodado origami de ADN, resultando en objetos como un mapa microscópico del mundo y, más recientemente, el juego más pequeño de tic-tac-toe, jugado en un tablero de ADN.

El trabajo en objetos novedosos continúa proporcionando nuevos conocimientos sobre las propiedades mecánicas del ADN. Estos conocimientos están impulsando la capacidad de fabricar máquinas de ADN que generen, transmitir y sentir fuerzas mecánicas.

"Si junta estos tres componentes principales de los dispositivos mecánicos, comienzas a tener martillos, engranajes y ruedas y puedes comenzar a construir nano máquinas, "Dice Salaita." La mecanotecnología del ADN amplía las oportunidades de investigación que involucran biomedicina y ciencia de materiales. Es como descubrir un nuevo continente y abrir nuevos territorios para explorar ".

Los usos potenciales de tales dispositivos incluyen dispositivos de administración de medicamentos en forma de nanocápsulas que se abren cuando llegan a un sitio objetivo, nanocomputadoras y nano robots que trabajan en líneas de montaje a nanoescala.

El uso de autoensamblaje de ADN por parte de la industria de la genómica, para la investigación y el diagnóstico biomédicos, está impulsando aún más la mecanotecnología del ADN, haciendo que la síntesis de ADN sea barata y fácilmente disponible. "Potencialmente, cualquiera puede soñar con un diseño de nano-máquina y hacerlo realidad, "Dice Salaita.

Da el ejemplo de cómo crear un par de nano tijeras. "Sabes que necesitas dos varillas rígidas y que deben estar unidas por un mecanismo de pivote, ", dice." Al jugar con algún software de código abierto, puede crear este diseño y luego ir a una computadora y hacer un pedido para sintetizar su diseño personalizado. Recibirás tu pedido en un tubo. Simplemente ponga el contenido del tubo en una solución, deja que tu dispositivo se autoensamble, y luego use un microscopio para ver si funciona de la manera que pensaba que lo haría ".

El laboratorio de Salaita es uno de los aproximadamente 100 en todo el mundo que trabajan a la vanguardia de la mecanotecnología del ADN. Él y Blanchard desarrollaron el motor basado en ADN sintético más potente del mundo, que se informó recientemente en Nano Letters.

Un enfoque clave de la investigación de Salaita es mapear y medir cómo las células empujan y tiran para aprender más sobre las fuerzas mecánicas involucradas en el sistema inmunológico humano.

Salaita desarrolló los primeros medidores de fuerza de ADN para células, proporcionando la primera vista detallada de las fuerzas mecánicas que una molécula aplica a otra molécula en toda la superficie de una célula viva. El mapeo de tales fuerzas puede ayudar a diagnosticar y tratar enfermedades relacionadas con la mecánica celular. Células cancerígenas, por ejemplo, moverse de manera diferente a las células normales, y no está claro si esa diferencia es una causa o un efecto de la enfermedad.

En 2016, Salaita usó estos medidores de fuerza de ADN para proporcionar la primera evidencia directa de las fuerzas mecánicas de las células T, los guardias de seguridad del sistema inmunológico. Su laboratorio mostró cómo las células T utilizan una especie de "apretón de manos" o tirón mecánico para probar si una célula que encuentran es amiga o enemiga. Estos tirones mecánicos son fundamentales para la decisión de una célula T de montar una respuesta inmune.

"Su sangre contiene millones de diferentes tipos de células T, y cada célula T se desarrolla para detectar un determinado patógeno o agente extraño, "Salaita explica." Las células T están constantemente tomando muestras de las células de todo el cuerpo mediante estos tirones mecánicos. Se unen y tiran de proteínas en la superficie de una célula y, si el lazo es fuerte, esa es una señal de que la célula T ha encontrado un agente extraño ".

El laboratorio de Salaita se basó en este descubrimiento en un artículo publicado recientemente en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS) . El trabajo dirigido por el estudiante graduado de química de Emory, Rong Ma, refinó la sensibilidad de los medidores de fuerza del ADN. No solo pueden detectar estos tirones mecánicos con una fuerza tan leve que es casi una mil millonésima parte del peso de un clip, también pueden capturar evidencia de remolcadores tan breves como un abrir y cerrar de ojos.

La investigación proporciona una mirada sin precedentes a las fuerzas mecánicas involucradas en el sistema inmunológico. "Demostramos que, además de estar evolucionado para detectar ciertos agentes extraños, Las células T también aplicarán tirones mecánicos muy breves a agentes extraños que son casi iguales, "Dice Salaita." La frecuencia y duración del tirón depende de qué tan estrechamente se corresponda el agente extraño con el receptor de células T ".

El resultado proporciona una herramienta para predecir qué tan fuerte será la respuesta inmune que desarrollará una célula T. "Esperamos que esta herramienta pueda eventualmente usarse para ajustar las inmunoterapias para pacientes individuales de cáncer, "Dice Salaita." Potencialmente podría ayudar a diseñar las células T para que vayan tras determinadas células cancerosas ".