El nuevo motor de origami de ADN rompe el récord de velocidad de las nano máquinas
Los científicos preparan el camino para que los "nano bots" puedan algún día diagnosticar y tratar enfermedades
A través de una técnica conocida como origami de ADN, los científicos han creado el nano motor de ADN más rápido y persistente hasta ahora. Angewandte Chemie publicó los hallazgos, que proporcionan un plano de cómo optimizar el diseño de los motores a nanoescala - cientos de veces más pequeños que la típica célula humana.
Dieciséis hebras de ADN, apiladas de cuatro en cuatro, forman el "chasis" en forma de rayo del motor de ADN (en gris). Trozos de ADN (en verde) sobresalen del chasis como pequeños pies. El motor es alimentado por el ARN colocado en una pista. El ARN se une a los pies de ADN en la cara inferior del chasis. Una enzima que se dirige al ARN unido destruye estas moléculas de ARN (en gris y rojo). El proceso se repite, a medida que más ARN tira de las patas de ADN, inclinando el chasis hacia adelante, causando que ruede.
Stephanie Jones, bio-illustrations.com
"Los motores a nanoescala tienen un enorme potencial para aplicaciones en biosensores, en la construcción de células sintéticas y también para la robótica molecular", dice Khalid Salaita, autor principal del trabajo y profesor de química en la Universidad de Emory. "El origami de ADN nos permitió modificar la estructura del motor y determinar los parámetros de diseño que controlan sus propiedades".
El nuevo motor de ADN tiene forma de varilla y utiliza el combustible de ARN para rodar persistentemente en línea recta, sin intervención humana, a velocidades de hasta 100 nanómetros por minuto. Eso es hasta 10 veces más rápido que los motores de ADN anteriores.
Salaita también forma parte de la facultad del Departamento de Ingeniería Biomédica de Wallace H. Coulter, un programa conjunto del Instituto de Tecnología de Georgia y Emory. El trabajo es una colaboración entre el laboratorio de Salaita y Yonggang Ke, profesor asistente de la Escuela de Medicina de Emory y el Departamento de Ingeniería Biomédica de Wallace H. Coulter.
"Nuestro motor de ADN de ingeniería es rápido", dice Ke, "pero todavía tenemos un largo camino por recorrer para lograr la versatilidad y la eficiencia de los motores biológicos de la naturaleza. En última instancia, el objetivo es hacer motores artificiales que coincidan con la sofisticación y funcionalidad de las proteínas que mueven la carga en las células y les permiten realizar diversas funciones".
La fabricación de cosas a partir de ADN, apodado origami de ADN por la tradicional artesanía japonesa de doblar papel, aprovecha la afinidad natural de las bases de ADN A, G, C y T para emparejarse entre sí. Moviéndose alrededor de la secuencia de letras de las hebras, los investigadores pueden conseguir que las hebras de ADN se unan de forma que creen diferentes formas. La rigidez del ADN del origami también se puede ajustar fácilmente, de modo que permanezcan rectas como un trozo de espagueti seco o se doblen y enrollen como espagueti hervido.
El creciente poder de cómputo, y el uso de auto-ensamblado de ADN para la industria de la genómica, han avanzado mucho en el campo del origami de ADN en las últimas décadas. Los usos potenciales para los motores de ADN incluyen dispositivos de entrega de drogas en forma de nanocápsulas que se abren cuando llegan a un sitio objetivo, nanocomputadoras y nanorobots que trabajan en líneas de montaje a nanoescala.
"Estas aplicaciones pueden parecer ahora como ciencia ficción, pero nuestro trabajo está ayudando a acercarlas a la realidad", dice Alisina Bazrafshan, candidata al doctorado Emory y primera autora del nuevo trabajo.
Uno de los mayores desafíos de los motores de ADN es el hecho de que las reglas que gobiernan el movimiento a nanoescala son diferentes a las de los objetos que los humanos pueden ver. Los dispositivos de escala molecular deben abrirse camino a través de un constante bombardeo de moléculas. Estas fuerzas pueden causar que estos diminutos dispositivos se desplacen aleatoriamente como granos de polen flotando en la superficie de un río, un fenómeno conocido como movimiento Browniano.
La viscosidad de los líquidos también hace un impacto mucho mayor en algo tan pequeño como una molécula, por lo que el agua se parece más a la melaza.
Muchos motores de ADN anteriores "caminan" con un movimiento mecánico de pierna sobre pierna. El problema es que las versiones de dos piernas tienden a ser inherentemente inestables. Los motores caminantes con más de dos piernas ganan estabilidad, pero las piernas adicionales los hacen más lentos.
Los investigadores de Emory resolvieron estos problemas diseñando un motor de ADN en forma de barra que rueda. La varilla, o "chasis" del motor consiste en 16 hebras de ADN unidas en una pila de cuatro por cuatro para formar un haz con cuatro lados planos. Treinta y seis bits de ADN sobresalen de cada cara de la varilla, como pequeños pies.
Para alimentar su movimiento, el motor se coloca en una pista de ARN, un ácido nucleico con pares de bases que son complementarios a los pares de bases de ADN. El ARN tira de los pies de ADN en una cara del motor y los une a la pista. Una enzima que se dirige sólo al ARN que está unido al ADN, entonces rápidamente destruye el ARN unido. Eso hace que el motor ruede, ya que los pies de ADN en la siguiente cara del motor son arrastrados hacia adelante por su atracción al ARN.
El motor de ADN rodante forja un camino persistente, por lo que continúa moviéndose en línea recta, a diferencia del movimiento más aleatorio de los motores de ADN andantes. El movimiento rodante también se suma a la velocidad del nuevo motor de ADN: Puede viajar la longitud de una célula madre humana en dos o tres horas. Los motores de ADN anteriores necesitarían alrededor de un día para cubrir esa misma distancia, y la mayoría carecen de la persistencia para llegar tan lejos.
Uno de los mayores desafíos fue medir la velocidad del motor a nanoescala. Ese problema se resolvió añadiendo etiquetas fluorescentes en cada extremo del motor de ADN y optimizando las condiciones de imagen en un microscopio fluorescente.
A través de ensayo y error, los investigadores determinaron que una forma de varilla rígida era óptima para moverse en línea recta y que 36 pies en cada cara del motor proporcionaban una densidad óptima para la velocidad.
"Proporcionamos una plataforma sintonizable para los motores de origami de ADN que otros investigadores pueden utilizar para diseñar, probar y optimizar los motores para avanzar más en el campo", dice Bazrafshan. "Nuestro sistema permite probar los efectos de todo tipo de variables, como la forma y rigidez del chasis y el número y densidad de las patas para afinar el diseño".
Por ejemplo, ¿qué variables darían lugar a un motor de ADN que se mueve en círculos? ¿O un motor que gira para rodear barreras? ¿O uno que gira en respuesta a un objetivo en particular?
"Esperamos que otros investigadores encuentren otros diseños creativos basados en estos hallazgos", dice Bazrafshan.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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