Se pueden hibridar térmicamente múltiples hebras de ADN complementarias en las entidades deseadas para diseñar nanoestructuras de ADN. En un nuevo estudio publicado ahora en Nature Nanotechnology , Caroline Rossi-Gendron y un equipo de investigadores en química, ciencia de materiales y biología en Francia y Japón utilizaron un tampón sin magnesio que contenía cloruro de sodio, cócteles complejos de cadenas de ADN y proteínas para autoensamblarse isotérmicamente a temperatura ambiente o temperatura fisiológica en nanoestructuras definidas por el usuario, incluidas nanoredes, origami de ADN y conjuntos de mosaicos monocatenarios.
Este autoensamblaje se basó en la termodinámica y procedió a través de múltiples vías de plegado para crear nanoestructuras altamente configurables. El método permitió la autoselección de la forma más estable en un gran conjunto de cadenas de ADN competitivas. Curiosamente, el origami de ADN puede cambiar isotérmicamente desde una forma inicialmente estable a una radicalmente diferente mediante un intercambio de hebras básicas constitutivas. Esto amplió la colección de formas y funciones obtenidas mediante autoensamblaje isotérmico para crear la base para nanomáquinas adaptativas y facilitar el descubrimiento de nanoestructuras evolutivas.
El autoensamblaje ocurre cuando entidades naturales o diseñadas racionalmente pueden incorporar la información necesaria para interactuar y autoorganizarse espontáneamente en superestructuras funcionales de interés. Normalmente, los materiales sintéticos autoensamblados resultan de la organización de un único componente repetitivo para crear un conjunto supramolecular estable que contiene micelas o cristales coloidales con un conjunto prescrito de propiedades útiles. Estas construcciones tienen una reconfigurabilidad limitada, lo que hace que sea muy difícil producir las estructuras deseadas.
La nanotecnología del ADN estructural explora el principio de emparejamiento de bases dependiente de la secuencia entre hebras individuales de ADN sintético para superar este desafío y ensamblar superestructuras diversas y elaboradas de una forma, tamaño y especificidad funcional previstas a gran escala con una variedad de aplicaciones. Las estructuras multicomponentes generalmente se derivan de un proceso de recocido térmico, donde la mezcla de ADN se calienta por encima de su temperatura de fusión al principio y se enfría lentamente para evitar trampas cinéticas y garantizar una hibridación de ADN de secuencia específica.
El recocido térmico puede obstaculizar la posibilidad de formación espontánea de nanoestructuras en condiciones fijas. Por lo tanto, en este trabajo, Rossi-Gendron y sus colegas describieron que el método principal de nanotecnología de ADN estructural depende del mismo principio de autoensamblaje de ADN isotérmico genérico para crear nanoestructuras de ADN elaboradas definidas por el usuario, como origami de ADN y nanoredes de ADN. El equipo de investigación estudió la complejidad estructural de los diseños de origami de ADN y las nanorredes autorrepetitivas utilizando microscopía de fuerza atómica para revelar la multiplicidad de vías de plegado en formas de origami 2D autoensamblables.
Origami de ADN mediante autoensamblaje en cloruro de sodio
El equipo completó una serie de experimentos en un entorno de autoensamblaje isotérmico regulado termodinámicamente para completar la transformación de la forma. Lo lograron ensamblando una mezcla de origami de ADN sin pretratamiento térmico e incubaron las construcciones durante varias horas en un tampón convencional. Como se observó anteriormente, independientemente del tiempo de incubación, los resultados no mostraron la formación de objetos con la forma adecuada.
El equipo optó por un tampón alternativo complementado con sales monovalentes para promover el intercambio y la reconfiguración de grapas y observar la notable formación de triángulos afilados correctamente plegados a temperatura ambiente en unas pocas horas. Estos resultados fueron consistentes en todas las concentraciones de sal intermedias. Los investigadores demostraron cómo el autoensamblaje isotérmico en un buffer podría ser impulsado electrostáticamente para generar una variedad de nanoestructuras personalizadas bajo una amplia ventana de temperatura.
Exploraron el concepto de autoensamblaje isotérmico de origami 3D para resaltar la posibilidad de autoensamblaje espontáneo a temperatura ambiente o corporal sin tratamiento previo térmico para crear una variedad de morfologías que ejemplifiquen la versatilidad del autoensamblaje. Sin embargo, el muy bajo rendimiento de las construcciones destacó su limitación actual que puede superarse optimizando el diseño de la nanoestructura.
Rossi-Gendron y sus colegas estudiaron más a fondo los mecanismos del autoensamblaje isotérmico ideando un método para seguir la ruta de plegado del origami de ADN 2D en tiempo real. El trabajo demostró que lograr la estructura de equilibrio para un origami individual no dependía de una ruta de plegado específica, sino que dependía de múltiples rutas, hasta alcanzar la forma de equilibrio objetivo.
Las estructuras parcialmente plegadas mostraron diversos estados de plegado iniciales, lo que implica que múltiples rutas de plegado no dependían del autoensamblaje asistido por la superficie. Los resultados concluyen que la formación de origami isotérmico es un proceso regulado termodinámicamente mediante el cual las estructuras alcanzan un estado de equilibrio mediante el autoensamblaje. Al exponer las formas de origami a un conjunto de elementos básicos competitivos, el equipo observó cómo el autoensamblaje condujo a una evolución espontánea de una forma de origami a una construcción estable dramáticamente diferente para crear un resultado de cambio de forma favorecido termodinámicamente.
De esta manera, Rossi-Gendron y sus colegas utilizaron un tampón salino genérico y una mezcla altamente multicomponente de cadenas de ADN para autoensamblarse espontáneamente a temperatura constante en un rango de temperaturas para formar objetos con la forma adecuada, como origamis o nanoredes de ADN. Lograron estos resultados a temperatura ambiente para un autoensamblaje impulsado termodinámicamente por pasos. Los resultados indicaron la posibilidad de funciones dinámicas en entornos ambientales y sistemas vivos con temperaturas fijas para el descubrimiento de nanoestructuras utilizando grandes bibliotecas de componentes de ADN.
Más información: Caroline Rossi-Gendron et al, Autoensamblaje isotérmico de nanoestructuras de ADN evolutivas y multicomponentes, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01468-2
Paul W. K. Rothemund, Plegar ADN para crear formas y patrones a nanoescala, Naturaleza (2006). DOI:10.1038/naturaleza04586
Información de la revista: Nanotecnología de la naturaleza , Naturaleza
© 2023 Red Ciencia X
