Los científicos han estado fabricando nanopartículas a partir de hebras de ADN durante dos décadas, manipulando los enlaces que mantienen la forma de doble hélice del ADN para esculpir estructuras autoensambladas que algún día podrían tener aplicaciones médicas asombrosas.
Sin embargo, el estudio de las nanopartículas de ADN se ha centrado principalmente en su arquitectura, convirtiendo el código genético de la vida en componentes para fabricar robots minúsculos. Un par de investigadores del departamento de genética, desarrollo y biología celular de la Universidad Estatal de Iowa (el profesor Eric Henderson y el recién graduado de doctorado Chang-Yong Oh) esperan cambiar esta situación al demostrar que los materiales a nanoescala hechos de ADN pueden transmitir sus instrucciones genéticas incorporadas.
"Hasta ahora, la mayoría de la gente ha estado explorando las nanopartículas de ADN desde una perspectiva de ingeniería. Se ha prestado poca atención a la información contenida en esas cadenas de ADN", dijo Oh.
En un artículo reciente publicado en la revista Scientific Reports Henderson y Oh describieron cómo construyeron nanopartículas de ADN capaces de expresar el código genético. Tener capacidad de portar genes aumenta el potencial de la nanotecnología del ADN.
"Estas estructuras podrían ser tanto el vehículo como el medicamento", afirmó Henderson.
Henderson y Oh dijeron que se encuentran entre los primeros equipos de investigación del mundo en crear una nanopartícula de ADN que expresa su código genético. La Fundación de Investigación de la Universidad Estatal de Iowa presentó una solicitud de patente relacionada con la investigación en 2023.
Henderson llegó al estado de Iowa en 1987 pero, durante 14 años, dividió su tiempo creando una startup llamada BioForce Nanosciences. Después de regresar al estado de Iowa a tiempo completo en 2008, comenzó a trabajar en origami de ADN, un método recientemente desarrollado para crear nanoestructuras complejas autoensambladas a partir de largas hebras individuales de ADN.
Henderson y una ex estudiante de posgrado, Divita Mathur, ahora profesora asistente en la Universidad Case Western, diseñaron una nanomáquina biosensora que podría detectar patógenos.
Ese trabajo dejó un pensamiento persistente:¿Qué pasa con los genes que portan estas estructuras? ¿Podría el origami de ADN expresar la información genética integrada en sí mismo?
El primer paso fue descubrir cómo crear origami de ADN con hebras individuales que tienen secuencias genéticas específicas, a diferencia de las hebras utilizadas tradicionalmente para crear nanopartículas.
Eso tomó un par de años. El siguiente paso fue determinar si la ARN polimerasa, una enzima para producir moléculas de ARN a partir de códigos de ADN, podría navegar por los extensos pliegues del origami de ADN, dijo Henderson. Una preocupación particular era si la polimerasa sería bloqueada por los cruces, las uniones donde largas hebras de ADN están conectadas por fragmentos cortos de ADN llamados grapas.
"Resulta que no es así, lo cual va en contra de la intuición", dijo Henderson.
Si bien los cruces y la arquitectura compleja no detienen el proceso de transcripción de producción de ARN, el diseño de una nanoestructura de ADN sí afecta la eficiencia de la transcripción. Las estructuras densas producen menos ARN, lo que implica que el diseño de nanopartículas podría ajustarse para inhibir o promover las funciones previstas, dijo Oh.
"Podríamos crear un sistema de administración eficiente y dirigido que tenga potencial en muchos campos, incluida la terapia contra el cáncer", afirmó.
El potencial de precisión es parte de lo que hace que las nanopartículas de ADN sean una posibilidad interesante, afirmó Henderson.
"La edición de genes es increíblemente poderosa, pero una de las partes más difíciles de editar genes es editar sólo los genes que se desean editar. Así que ese es el sueño, perfeccionar estas nanopartículas para que se dirijan a ciertas células y tejidos", dijo.
Sin embargo, las nanopartículas de ADN tienen otras ventajas importantes. Son fáciles de hacer, económicos y duraderos. Hacer que las nanopartículas se autoensamblen es tan simple como calentar una mezcla y dejarla enfriar, sin necesidad de equipo especial, dijo Oh.
Gracias en parte a la ubicuidad de la investigación del ADN, las hebras y las grapas son económicas de producir. A pesar de usarlos a diario, Henderson y Oh todavía están trabajando en un paquete de productos básicos comprados a un fabricante de Coralville hace varios años por unos cientos de dólares.
Y los componentes, que pueden almacenarse en forma de polvo, tienen una larga vida útil, incluso en las condiciones más difíciles, afirmó Henderson. Es una tecnología que podría propagarse fácilmente.
"El ADN es muy estable. Se ha recuperado de muestras de más de un millón de años de antigüedad", afirmó.
Más información: Chang Yong Oh et al, Transcripción in vitro de nanopartículas de ADN autoensambladas, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-39777-0
Proporcionado por la Universidad Estatal de Iowa
