Una estructura de ADN en forma de S (A) una esfera (B) y un tornillo (C), junto con imágenes microscópicas de las nanoestructuras reales a una escala de 200 nm. Foto: Biodesign Institute
El campo de la nanotecnología de ADN utiliza reglas de diseño de la naturaleza, así como las propiedades químicas del ADN para lograr colecciones cada vez más complejas de moléculas que se auto-ensamblan para aplicaciones biomédicas y electrónicas. Algunos de los logros del laboratorio de Yan incluyen la construcción de estructuras similares a un caballo de Troya para mejorar la administración de fármacos a las células cancerosas, nanocables de oro conductores de la electricidad, sensores de una sola molécula y robots moleculares programables.
Con sus obras arquitectónicas bio-inspiradas, el grupo continúa explorando los límites geométricos y físicos de la construcción a nivel molecular.
Yan dice que en este campo las estructuras de armazones de alambres o de malla han suscitado mucho interés. “Tuvimos que llegar a nuevos principios de diseño que nos permiten construir con mayor complejidad en tres dimensiones”.
En el último giro que ha dado a la tecnología, el equipo de Yan hizo nuevo objetos en 2-D y 3-D que lucen como mallas o esferas de alambres, así como pinzas, tijeras, un tornillo, un ventilador de mano, e incluso una tela de araña, todos moleculares.
El giro en su diseño molecular, de ‘abajo hacia arriba’, es una estrategia que se centra en una estructura de ADN llamada cruce de Holliday.
En la naturaleza esta estructura ADN doble, que tiene forma de cruz, es como una intersección genética de cuatro vías – en la que dos hélices de ADN se encuentran temporalmente para intercambiar información genética. El cruce de Holliday es la encrucijada responsable de la diversidad de la vida en la Tierra, y es gracias a éste que los niños reciben rasgos únicos, tanto del ADN del padre, como de la madre.
En la naturaleza, el cruce de Holliday retuerce las hebras de ADN en un ángulo de alrededor de 60 grados, que es perfecto para el intercambio de genes, pero a veces es frustrante para los científicos de la nanotecnología de ADN, ya que limita las reglas de diseño de sus estructuras.
Para la construcción de las nuevas estructuras previstas por Yan fue necesaria la reingeniería del cruce de Holliday para voltear y girar el punto de unión en unos 150 grados.
En el nuevo estudio, al variar la longitud del ADN entre cada cruce de Holliday, lograron forzar la geometría en los cruces de Holliday en un reordenamiento no convencional, y hacer que los cruces sean más flexibles para construir por primera vez en la dimensión vertical. Yan llama ‘Gridiron ADN’ a esta estructura que luce como una parrilla de barbacoa.
“¡Nos sorprendió que funcionara!” dijo Yan. “Una vez que vimos que funcionaba, fue relativamente fácil implementar nuevos diseños. Ahora parece fácil en retrospectiva. Si la forma de pensar de uno se limita por las reglas convencionales, es muy difícil dar el siguiente paso. Una vez que se da ese paso, se vuelve muy obvio”.
Los diseños Gridiron ADN se programan en un ADN viral, en el que una sola hebra de ADN, en forma de espagueti, se expele y se pliega con la ayuda de pequeñas ‘grapas’ de hebras de ADN que ayudan a moldear la estructura final de ADN. En un tubo de ensayo, la mezcla se calienta, a continuación, se enfría rápidamente, y todo se auto-ensambla y se moldea para adquirir la forma final una vez que se enfría. A continuación, utilizando tecnología avanzada de imagenología, lograron examinar las formas y tamaños de los productos finales, y determinar que se habían formado correctamente.
Yan dijo que su investigación ahora se enfoca en la búsqueda de nuevas aplicaciones para las herramientas básicas que ha desarrollado. “Todavía hay un largo camino por recorrer y muchas ideas nuevas por explorar. Sólo tenemos que seguir hablando con biólogos, físicos e ingenieros para entender y satisfacer sus necesidades”.
Fuente: Arizona State University
