A través de una técnica conocida como origami de ADN, los científicos han creado el más rápido, El nano motor de ADN más persistente hasta ahora. Angewandte Chemie publicó los hallazgos, que proporcionan un modelo sobre cómo optimizar el diseño de motores a nanoescala, cientos de veces más pequeños que la célula humana típica.

"Los motores a nanoescala tienen un enorme potencial para aplicaciones en biosensores, en la construcción de células sintéticas y también para la robótica molecular, "dice Khalid Salaita, autor principal del artículo y profesor de química en la Universidad de Emory. "El origami de ADN nos permitió jugar con la estructura del motor y desentrañar los parámetros de diseño que controlan sus propiedades".

El nuevo motor de ADN tiene forma de barra y utiliza combustible de ARN para rodar persistentemente en línea recta. sin intervención humana, a velocidades de hasta 100 nanómetros por minuto. Eso es hasta 10 veces más rápido que los motores de ADN anteriores.

Salaita también forma parte de la facultad del Departamento de Ingeniería Biomédica de Wallace H. Coulter, un programa conjunto del Instituto de Tecnología de Georgia y Emory. El documento es una colaboración entre el laboratorio Salaita y Yonggang Ke, profesor asistente de la Facultad de Medicina de Emory y del Departamento de Ingeniería Biomédica de Wallace H. Coulter.

"Nuestro motor de ADN diseñado es rápido, "Ke dice, "pero todavía tenemos un largo camino por recorrer para lograr la versatilidad y eficiencia de los motores biológicos de la naturaleza. el objetivo es fabricar motores artificiales que coincidan con la sofisticación y funcionalidad de las proteínas que mueven la carga en las células y les permiten realizar diversas funciones ".

Haciendo cosas de ADN apodado origami de ADN por la artesanía tradicional japonesa de plegado de papel, aprovecha la afinidad natural por las bases de ADN A, GRAMO, C y T para emparejar entre sí. 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 del origami de ADN también se puede ajustar fácilmente, para que permanezcan rectos como un espagueti seco o se doblen y enrollen como espaguetis hervidos.

Creciente poder computacional, y el uso de autoensamblaje de ADN para la industria de la genómica, han avanzado mucho en el campo del origami de ADN en las últimas décadas. Los usos potenciales de los motores de ADN incluyen dispositivos de administración de fármacos en forma de nanocápsulas que se abren cuando alcanzan un sitio objetivo, nanocomputadoras y nanorobots trabajando en líneas de montaje a nanoescala.

"Estas aplicaciones pueden parecer ciencia ficción ahora, pero nuestro trabajo está ayudando a acercarlos a la realidad, "dice Alisina Bazrafshan, un doctorado en Emory candidato y primer autor del nuevo artículo.

Uno de los mayores desafíos de los motores de ADN es el hecho de que las reglas que gobiernan el movimiento a nanoescala son diferentes a las de los objetos que los humanos pueden ver. Los dispositivos de escala molecular deben abrirse paso a través de un aluvión constante de moléculas. Estas fuerzas pueden hacer que dispositivos tan diminutos se desplacen al azar como granos de polen flotando en la superficie de un río. un fenómeno conocido como movimiento browniano.

La viscosidad de los líquidos también tiene un impacto mucho mayor en algo tan pequeño como una molécula, por lo que el agua se vuelve más parecida a la melaza.

Muchos motores de ADN anteriores "caminan" con un movimiento mecánico de pierna sobre pierna. El problema es que las versiones de dos patas tienden a ser inherentemente inestables. Los motores para caminar con más de dos patas ganan estabilidad, pero las patas adicionales los ralentizan.

Los investigadores de Emory resolvieron estos problemas diseñando un motor de ADN en forma de barra que rueda. La barra, o "chasis" del motor consta de 16 hebras de ADN unidas en una pila de cuatro por cuatro para formar una viga con cuatro lados planos. Treinta y seis trozos de ADN sobresalen de cada cara de la varilla, como pies pequeños.

Para alimentar su movimiento el motor se coloca en una pista de ARN, un ácido nucleico con pares de bases que son complementarios a los pares de bases del ADN. El ARN tira de los pies de ADN en una cara del motor y los une a la pista. Una enzima que se dirige solo al ARN que está unido al ADN luego destruye rápidamente el ARN unido. Eso hace que el motor gire, a medida que los pies de ADN en la siguiente cara del motor son empujados hacia adelante por su atracción por el ARN.

El motor de ADN rodante forja un camino persistente, para que continúe moviéndose en línea recta, a diferencia del movimiento más aleatorio de los motores de ADN andantes. El movimiento de balanceo también se suma a la velocidad del nuevo motor de ADN:puede viajar a lo largo de una célula madre humana en dos o tres horas. Los motores de ADN anteriores necesitarían aproximadamente un día para cubrir esa misma distancia, y la mayoría carece de perseverancia para llegar tan lejos.

Uno de los mayores desafíos fue medir la velocidad del motor a nanoescala. Ese problema se resolvió agregando etiquetas fluorescentes en cada extremo del motor de ADN y optimizando las condiciones de imagen en un microscopio fluorescente.

A través de prueba y error, los investigadores determinaron que una forma de varilla rígida era óptima para moverse en línea recta y que 36 pies en cada cara del motor proporcionaban una densidad óptima para la velocidad.

"Proporcionamos una plataforma sintonizable para motores de origami de ADN que otros investigadores pueden utilizar para diseñar, probar y optimizar motores para avanzar aún más en el campo, ", Dice Bazrafshan." Nuestro sistema le permite probar los efectos de todo tipo de variables, como la forma y la rigidez del chasis y el número y la densidad de las patas para ajustar su diseño ".

Por ejemplo, ¿Qué variables darían lugar a un motor de ADN que se mueva en círculos? ¿O un motor que gira para sortear barreras? ¿O uno que se vuelve en respuesta a un objetivo en particular?

"Esperamos que otros investigadores presenten otros diseños creativos basados ​​en estos hallazgos, "Dice Bazrafshan.