Se puede producir una impresionante variedad de formas arquitectónicas a partir de los populares bloques de construcción entrelazados conocidos como LEGOS. Todo lo que se necesita es la imaginación de un niño para construir una variedad virtualmente infinita de formas complejas.

En un nuevo estudio que aparece en la revista Cartas de revisión física , Los investigadores describen una técnica para utilizar elementos similares a LEGO a una escala de unas mil millonésimas de metro. Más lejos, son capaces de engatusar estos elementos de diseño para que se autoensamblen, con cada pieza de LEGO identificando su pareja adecuada y enlazándose en una secuencia precisa para completar la nanoestructura deseada.

Si bien la técnica descrita en el nuevo estudio se simula en una computadora, la estrategia es aplicable a métodos de autoensamblaje comunes al campo de la nanotecnología del ADN. Aquí, el equivalente de cada pieza de LEGO consiste en nanoestructuras hechas de ADN, el famoso depósito molecular de nuestro código genético. Los cuatro nucleótidos que componen el ADN, comúnmente etiquetados como A, C, T y G:se adhieren entre sí de acuerdo con una regla confiable:los nucleótidos A siempre se emparejan con los nucleótidos Ts y los C con Gs.

El uso de propiedades de emparejamiento de bases permite a investigadores como Petr Sulc, autor correspondiente del nuevo estudio, diseñar nanoestructuras de ADN que puedan tomar forma en un tubo de ensayo, como si estuviera en piloto automático.

"La cantidad posible de formas de diseñar interacciones entre los componentes básicos es enorme, algo que se llama una 'explosión combinatoria' ”, dice Sulc.“ Es imposible verificar individualmente cada diseño de bloque de construcción posible y ver si puede autoensamblarse en la estructura deseada. En nuestro trabajo, proporcionamos un nuevo marco general que puede buscar de manera eficiente el espacio de posibles soluciones y encontrar la que se autoensambla en la forma deseada y evita otros ensamblajes no deseados ".

Sulc es investigadora en el Centro de Biodesign para Diseño Molecular y Biomimética y en la Escuela de Ciencias Moleculares (SMS) de ASU. A él se une su colega Lukáš Kroc junto con los colaboradores internacionales Flavio Romano y John Russo de Italia.

La nueva técnica marca un importante trampolín en el campo de rápido desarrollo de la nanotecnología del ADN, donde las formas autoensambladas están encontrando su camino en todo, desde pinzas a nanoescala hasta robots de ADN que cazan cáncer.

A pesar de los impresionantes avances, Los métodos de construcción que se basan en el autoensamblaje molecular han tenido que lidiar con uniones involuntarias de materiales de construcción. Los desafíos crecen con la complejidad del diseño previsto. En muchos casos, Los investigadores están perplejos en cuanto a por qué ciertas estructuras se autoensamblan a partir de un conjunto dado de bloques de construcción elementales, ya que los fundamentos teóricos de estos procesos aún son poco conocidos.

Para afrontar el problema Sulc y sus colegas han inventado un inteligente sistema de codificación de colores que logra restringir los emparejamientos de bases a solo aquellos que aparecen en el plano de diseño de la estructura final. con emparejamientos alternos de bases prohibidos.

El proceso funciona a través de un algoritmo de optimización diseñado a medida, donde el código de color correcto para el autoensamblaje de la forma prevista produce la estructura de destino con un mínimo de energía, excluyendo las estructuras competidoras.

Próximo, ponen el sistema a trabajar, utilizando computadoras para diseñar dos formas de cristal de gran importancia para el campo de la fotónica:pirocloro y diamante cúbico. Los autores señalan que este método innovador es aplicable a cualquier estructura cristalina.

Para aplicar su marco teórico, Sulc ha iniciado una nueva colaboración con los profesores Hao Yan y Nick Stephanopoulos, sus colegas de Biodesign y SMS. Juntos, su objetivo es realizar experimentalmente algunas de las estructuras que pudieron diseñar en simulaciones.

"Si bien la aplicación obvia de nuestro marco es la nanotecnología del ADN, nuestro enfoque es general, y también se puede utilizar, por ejemplo, para diseñar estructuras autoensambladas a partir de proteínas, "Dice Sulc.