Ilustración de componentes auto-ensamblables y nanométricos. Imagen: C. Hohmann. Fuente: Nanonystems Initiative Munich.
Los últimos nanodispositivos de ADN creados en la Universidad Técnica de Múnich (UTM) incluyen un robot con brazos móviles, un libro que se abre y se cierra, un engranaje conmutable, y un actuador, y pueden ser intrigantes por sí solos, pero esa no es la cuestión, según informa la propia universidad : Suponen un gran avance en la ciencia que usa el ADN como material de construcción programable para estructuras y máquinas de estructura nanométrica.
Los resultados, publicados en la revista Science, revelan un nuevo enfoque para unir -y reconfigurar- unidades de construcción 3D modulares, encajando formas complementarias en lugar de comprimir entre sí cadenas de pares de bases. Esto no sólo abre el camino a nanomáquinas reales con partes móviles, sino que también ofrece un conjunto de herramientas que hace que sea más fácil programar su auto-ensamblaje.
El campo conocido popularmente como "origami de ADN", en referencia al arte tradicional japonés del plegado de papel (papiroflexia), está avanzando rápidamente hacia las aplicaciones prácticas, según el profesor Hendrik Dietz, de la UTM. A principios de este mes, Dietz fue galardonado con el premio de investigación más importante de Alemania, el premio Gottfried Wilhelm Leibniz, por su papel en este proceso.
En los últimos años, Dietz y su equipo han sido responsables de los principales pasos hacia estas aplicaciones: dispositivos experimentales, incluyendo un canal de membrana sintética hecho de ADN; descubrimientos que reducen el tiempo necesario para los procesos de autoensamblaje, de una semana a un par de horas, y permiten rendimientos cercanos al 100%; pruebas de que se pueden montar estructuras extremadamente complejas, con precisión subnanométrica.
Sin embargo, todos esos avances emplearon el "apareamiento de bases" para determinar cómo las hebras y ensamblajes de ADN individual se unirían con otras en solución. Lo nuevo es el "pegamento".
"Una vez que se construye una unidad con pares de bases", explica Dietz, "es difícil de romper. Así que las estructuras dinámicas realizadas con ese enfoque tendían a ser estructuralmente simples."
Para permitir una gama más amplia de nanomáquinas de ADN con piezas móviles y capacidades potencialmente útiles, el equipo adaptó dos técnicas más de la caja de herramientas biomolecular de la naturaleza: la forma en que las proteínas utilizan la complementariedad de la forma para simplificar el acoplamiento con otras moléculas, y su tendencia a formar enlaces relativamente débiles que pueden romperse fácilmente cuando ya no sean necesarios.
Los resultados, publicados en la revista Science, revelan un nuevo enfoque para unir -y reconfigurar- unidades de construcción 3D modulares, encajando formas complementarias en lugar de comprimir entre sí cadenas de pares de bases. Esto no sólo abre el camino a nanomáquinas reales con partes móviles, sino que también ofrece un conjunto de herramientas que hace que sea más fácil programar su auto-ensamblaje.
El campo conocido popularmente como "origami de ADN", en referencia al arte tradicional japonés del plegado de papel (papiroflexia), está avanzando rápidamente hacia las aplicaciones prácticas, según el profesor Hendrik Dietz, de la UTM. A principios de este mes, Dietz fue galardonado con el premio de investigación más importante de Alemania, el premio Gottfried Wilhelm Leibniz, por su papel en este proceso.
En los últimos años, Dietz y su equipo han sido responsables de los principales pasos hacia estas aplicaciones: dispositivos experimentales, incluyendo un canal de membrana sintética hecho de ADN; descubrimientos que reducen el tiempo necesario para los procesos de autoensamblaje, de una semana a un par de horas, y permiten rendimientos cercanos al 100%; pruebas de que se pueden montar estructuras extremadamente complejas, con precisión subnanométrica.
Sin embargo, todos esos avances emplearon el "apareamiento de bases" para determinar cómo las hebras y ensamblajes de ADN individual se unirían con otras en solución. Lo nuevo es el "pegamento".
"Una vez que se construye una unidad con pares de bases", explica Dietz, "es difícil de romper. Así que las estructuras dinámicas realizadas con ese enfoque tendían a ser estructuralmente simples."
Para permitir una gama más amplia de nanomáquinas de ADN con piezas móviles y capacidades potencialmente útiles, el equipo adaptó dos técnicas más de la caja de herramientas biomolecular de la naturaleza: la forma en que las proteínas utilizan la complementariedad de la forma para simplificar el acoplamiento con otras moléculas, y su tendencia a formar enlaces relativamente débiles que pueden romperse fácilmente cuando ya no sean necesarios.
Flexibilidad bioinspirada
Para los experimentos publicados en Science, Dietz y sus colegas se inspiraron en un mecanismo que permite a las moléculas de ácido nucleico unirse a través de interacciones más débiles que el apareamiento de bases.
En la naturaleza, los enlaces débiles se pueden formar cuando la enzima basada en ARN RNasa P "reconoce" el llamado ARN de transferencia; las moléculas son acercadas lo suficiente, como una nave espacial atracando, por sus formas complementarias.
La nueva tecnología del laboratorio de Dietz imita este enfoque. Para crear una nanomáquina de ADN dinámica, los investigadores comienzan programando el auto-ensamblaje de bloques de construcción en 3D que están diseñados para encajar. Un mecanismo de unión débil y de corto alcance, llamado apilamiento nitrogenado de unión de corto alcance puede activarse para colocar estas unidades en su lugar. Tres métodos diferentes están disponibles para controlar la forma y la acción de los dispositivos hechos de esta manera.
"Lo que esto nos ha dado es una jerarquía de los niveles de las fuerzas de interacción", dice Dietz, "y la capacidad de posicionar -justamente donde los necesitamos- dominios estables que pueden reconocer e interactuar con compañeros de unión". El equipo realizó una serie de dispositivos de ADN -que van desde filamentos a escala micrométrica que podrían prefigurar "flagelos" tecnológicos hasta máquinas a escala nanométrica con partes en movimiento- para probar las posibilidades y comenzar a probar los límites.
Por ejemplo, micrografías electrónicas de transmisión de un robot humanoide tridimensional y a nanoescala confirman que las piezas encajan exactamente como fueron diseñadas. Además, muestran cómo un método de control simple -cambiar la concentración de iones positivos en solución- puede cambiar de forma activa entre diferentes configuraciones: montado o desmontado, con "brazos" abiertos de par en par o descansando a los lados del robot.
Juego de niños
Hay otra dimensión en la flexibilidad obtenida mediante la adición de componentes de forma complementaria y unión débil. La programación de autoensamblaje por apareamiento de bases solamente es como escribir código de computadora en lenguaje de máquina. La esperanza es que este nuevo enfoque haga más fácil doblar el origami de ADN para fines prácticos, de la misma forma que la llegada de los lenguajes de programación de alto nivel estimuló avances en la ingeniería de software.
Dietz lo compara con la construcción de juguetes de niños, como Lego: "Usted diseña los componentes para que sean complementarios, y eso es todo. Se acabaron las secuencias de pares de bases para conectar componentes."
Para los experimentos publicados en Science, Dietz y sus colegas se inspiraron en un mecanismo que permite a las moléculas de ácido nucleico unirse a través de interacciones más débiles que el apareamiento de bases.
En la naturaleza, los enlaces débiles se pueden formar cuando la enzima basada en ARN RNasa P "reconoce" el llamado ARN de transferencia; las moléculas son acercadas lo suficiente, como una nave espacial atracando, por sus formas complementarias.
La nueva tecnología del laboratorio de Dietz imita este enfoque. Para crear una nanomáquina de ADN dinámica, los investigadores comienzan programando el auto-ensamblaje de bloques de construcción en 3D que están diseñados para encajar. Un mecanismo de unión débil y de corto alcance, llamado apilamiento nitrogenado de unión de corto alcance puede activarse para colocar estas unidades en su lugar. Tres métodos diferentes están disponibles para controlar la forma y la acción de los dispositivos hechos de esta manera.
"Lo que esto nos ha dado es una jerarquía de los niveles de las fuerzas de interacción", dice Dietz, "y la capacidad de posicionar -justamente donde los necesitamos- dominios estables que pueden reconocer e interactuar con compañeros de unión". El equipo realizó una serie de dispositivos de ADN -que van desde filamentos a escala micrométrica que podrían prefigurar "flagelos" tecnológicos hasta máquinas a escala nanométrica con partes en movimiento- para probar las posibilidades y comenzar a probar los límites.
Por ejemplo, micrografías electrónicas de transmisión de un robot humanoide tridimensional y a nanoescala confirman que las piezas encajan exactamente como fueron diseñadas. Además, muestran cómo un método de control simple -cambiar la concentración de iones positivos en solución- puede cambiar de forma activa entre diferentes configuraciones: montado o desmontado, con "brazos" abiertos de par en par o descansando a los lados del robot.
Juego de niños
Hay otra dimensión en la flexibilidad obtenida mediante la adición de componentes de forma complementaria y unión débil. La programación de autoensamblaje por apareamiento de bases solamente es como escribir código de computadora en lenguaje de máquina. La esperanza es que este nuevo enfoque haga más fácil doblar el origami de ADN para fines prácticos, de la misma forma que la llegada de los lenguajes de programación de alto nivel estimuló avances en la ingeniería de software.
Dietz lo compara con la construcción de juguetes de niños, como Lego: "Usted diseña los componentes para que sean complementarios, y eso es todo. Se acabaron las secuencias de pares de bases para conectar componentes."
Referencia bibliográfica:
Thomas Gerling, Klaus F. Wagenbauer, Andrea M. Neuner, Hendrik Dietz: Dynamic DNA devices and assemblies formed by shape-complementary, non–base pairing 3D components. Science (2015). DOI: 10.1126/science.aaa5372.
Thomas Gerling, Klaus F. Wagenbauer, Andrea M. Neuner, Hendrik Dietz: Dynamic DNA devices and assemblies formed by shape-complementary, non–base pairing 3D components. Science (2015). DOI: 10.1126/science.aaa5372.