Un equipo internacional de científicos ha desarrollado recientemente un nuevo tipo de nanomotor hecho de ADN. Está impulsado por un mecanismo inteligente y puede realizar movimientos pulsantes. Ahora los investigadores planean equiparlo con un acoplamiento e instalarlo como accionamiento en nanomáquinas complejas. Sus resultados han sido publicados en la revista Nature Nanotechnology .
Petr Šulc, profesor asistente de la Facultad de Ciencias Moleculares de la Universidad Estatal de Arizona y del Centro de Biodiseño para Diseño Molecular y Biomimética, ha colaborado con el profesor Famulok (líder del proyecto) de la Universidad de Bonn, Alemania, y el profesor Walter de la Universidad de Michigan en este proyecto.
Šulc ha utilizado las herramientas de modelado informático de su grupo para obtener información sobre el diseño y el funcionamiento de este nanomotor de ballesta. La estructura se compone de casi 14.000 nucleótidos, que forman las unidades estructurales básicas del ADN.
"Poder simular el movimiento en una nanoestructura tan grande sería imposible sin oxDNA, el modelo informático que nuestro grupo utiliza para diseñar y diseñar nanoestructuras de ADN", explica Šulc. "Es la primera vez que se ha diseñado con éxito un motor de nanotecnología de ADN impulsado químicamente. Estamos muy entusiasmados de que nuestros métodos de investigación puedan ayudar a estudiarlo y esperamos construir nanodispositivos aún más complejos en el futuro".
Este novedoso tipo de motor es similar a un entrenador de fuerza de agarre manual que fortalece el agarre cuando se usa con regularidad. Sin embargo, el motor es aproximadamente un millón de veces más pequeño. Dos asas están conectadas por un resorte en una estructura en forma de V.
En un entrenador de fuerza de agarre manual, aprietas los mangos contra la resistencia del resorte. Una vez que suelta el agarre, el resorte empuja las manijas a su posición original. "Nuestro motor utiliza un principio muy similar", afirma el profesor Michael Famulok del Instituto de Ciencias Médicas y de la Vida (LIMES) de la Universidad de Bonn. "Pero los mangos no están apretados, sino tirados."
Los investigadores han reutilizado un mecanismo sin el cual no habría plantas ni animales en la Tierra. Cada celda está equipada con una especie de biblioteca. Contiene los planos de todo tipo de proteínas que cada célula necesita para realizar su función. Si la célula quiere producir un determinado tipo de proteína, solicita una copia del modelo respectivo. Esta transcripción es producida por enzimas llamadas ARN polimerasas.
El modelo original consta de largas hebras de ADN. Las ARN polimerasas se mueven a lo largo de estas hebras y copian letra por letra la información almacenada.
"Cogimos una ARN polimerasa y la fijamos en uno de los mangos de nuestra nanomáquina", explica Famulok, que también es miembro de las áreas de investigación transdisciplinaria "Vida y Salud" y "Materia" de la Universidad de Bonn.
"Muy cerca también tensamos una hebra de ADN entre los dos mangos. La polimerasa se agarra a esta hebra para copiarla. Se arrastra a lo largo de la hebra y la sección no transcrita se hace cada vez más pequeña. Esto tira del segundo mango poco a poco. poco hacia el primero, comprimiendo el resorte al mismo tiempo."
La cadena de ADN entre los mangos contiene una secuencia particular de letras poco antes de su final. Esta llamada secuencia de terminación indica a la polimerasa que debe soltar el ADN. El resorte ahora puede relajarse nuevamente y separar las manijas. Esto acerca la secuencia inicial de la cadena a la polimerasa y la copiadora molecular puede iniciar un nuevo proceso de transcripción:luego el ciclo se repite.
"De este modo, nuestro nanomotor realiza una acción pulsante", explica Mathias Centola, del grupo de investigación del profesor Famulok, que llevó a cabo una gran parte de los experimentos.
Este motor también necesita energía como cualquier otro tipo de motor. Lo proporciona la "sopa de letras" a partir de la cual la polimerasa produce las transcripciones. Cada una de estas letras (en terminología técnica:nucleótidos) tiene una pequeña cola que consta de tres grupos fosfato:un trifosfato.
Para añadir una nueva letra a una frase existente, la polimerasa tiene que eliminar dos de estos grupos fosfato. Esto libera energía que puede utilizar para unir las letras. "Nuestro motor utiliza trifosfatos de nucleótidos como combustible", afirma Famulok. "Sólo podrá continuar ejecutándose cuando haya un número suficiente de ellos disponibles."
Los investigadores pudieron demostrar que el motor se puede combinar fácilmente con otras estructuras. Esto debería permitirle, por ejemplo, deambular por una superficie, de forma similar a un gusano que se arrastra a lo largo de una rama con su propio estilo característico.
"También estamos planeando producir un tipo de embrague que nos permitirá utilizar la potencia del motor sólo en determinados momentos y, en caso contrario, dejarlo en ralentí", explica Famulok. A largo plazo, el motor podría convertirse en el corazón de una nanomáquina compleja. "Sin embargo, todavía queda mucho trabajo por hacer antes de llegar a esta etapa."
El laboratorio de Šulc es altamente interdisciplinario y aplica ampliamente los métodos de la física estadística y el modelado computacional a problemas de química, biología y nanotecnología. El grupo desarrolla nuevos modelos multiescala para estudiar interacciones entre biomoléculas, particularmente en el contexto del diseño y simulaciones de nanoestructuras y dispositivos de ADN y ARN.
"Así como las máquinas complejas de nuestro uso diario (aviones, automóviles y chips en electrónica) requieren sofisticadas herramientas de diseño asistido por computadora para garantizar que realizan una función deseada, existe una necesidad apremiante de tener acceso a tales métodos en las ciencias moleculares. "
La profesora Tijana Rajh, directora de la Facultad de Ciencias Moleculares, afirmó:"Petr Šulc y su grupo realizan una ciencia molecular extremadamente innovadora, utilizando métodos de la química y la física computacionales para estudiar las moléculas de ADN y ARN en el contexto de la biología y la nanotecnología. . Nuestros profesores más jóvenes de la Facultad de Ciencias Moleculares tienen un historial extraordinario de logros y el profesor Šulc es un ejemplo en este sentido."
El ADN y el ARN son las moléculas básicas de la vida. Cumplen muchas funciones, incluido el almacenamiento y la transferencia de información en las células vivas. También tienen aplicaciones prometedoras en el campo de la nanotecnología, donde se utilizan hebras de ADN y ARN diseñadas para ensamblar estructuras y dispositivos a nanoescala.
Como explica Šulc:"Es un poco como jugar con bloques de Lego, excepto que cada bloque de Lego tiene sólo unos pocos nanómetros (una millonésima de milímetro) de tamaño, y en lugar de colocar cada bloque en el lugar donde debe ir, mételos dentro de una caja y agítala aleatoriamente hasta que solo salga la estructura deseada."
Este proceso se llama autoensamblaje, y Šulc y sus colegas utilizan software de diseño y modelado computacional para crear bloques de construcción que se ensamblan de manera confiable en la forma que uno desea con una resolución a nanoescala.
"Las aplicaciones prometedoras de este campo incluyen el diagnóstico, la terapéutica, la robótica molecular y la construcción de nuevos materiales", afirma Šulc.
"Mi laboratorio ha desarrollado el software para diseñar estos bloques, y trabajamos estrechamente con grupos experimentales en ASU, así como con otras universidades en los EE. UU. y Europa. Es emocionante ver nuestros métodos utilizados para diseñar y caracterizar nanoestructuras de complejidad creciente, como la El campo avanza y logramos nuevos diseños avanzados y los operamos con éxito a nanoescala".
Más información: Un nanomotor de origami de ADN con resorte de hoja que pulsa rítmicamente y que impulsa a un seguidor pasivo, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01516-x. www.nature.com/articles/s41565-023-01516-x
Información de la revista: Nanotecnología de la naturaleza
Proporcionado por la Universidad Estatal de Arizona
