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La reproducción de 'La noche estrellada' tiene el tamaño de una moneda de 10 centavos. Imagen: P. Rothemund/A. Gopinath. Fuente: Caltech.
Usando ADN plegado para colocar con precisión moléculas brillantes dentro de resonadores de luz microscópicos, investigadores de Caltech (Instituto Tecnológico de California, EE.UU.) han creado una de las reproducciones más pequeñas del mundo de La noche estrellada, de Vincent van Gogh. La reproducción y la técnica utilizada para crearla se describen en un artículo publicado en Nature.
La imagen monocroma, de sólo el ancho de una moneda de diez centavos, fue un proyecto de prueba de concepto que demostró, por primera vez, cómo la colocación de precisión de origami (papiroflexia) de ADN se puede utilizar para construir dispositivos basados en chips como circuitos de ordenador a escalas más pequeñas que nunca.
El origami de ADN, desarrollado hace 10 años por Paul Rothemund de Caltech (BS '94), es una técnica que permite a los investigadores plegar una larga cadena de ADN en cualquier forma deseada. El ADN plegado actúa entonces como un andamio sobre el que los investigadores pueden unir y organizar todo tipo de componentes a escala nanométrica, desde moléculas fluorescentes hasta nanotubos de carbono eléctricamente conductores, pasando por fármacos.
"Hay que pensar en ello un poco como en los tableros de clavijas que usa la gente para organizar las herramientas en sus garajes, sólo que en este caso, el tablero se autoensambla a partir de hebras de ADN y las herramientas encuentran asimismo sus propias posiciones", dice Rothemund, profesor de investigación de bioingeniería, de informática y ciencias matemáticas, y de computación y sistemas neuronales, en la información de Caltech. "Todo sucede en un tubo de ensayo sin la intervención humana, lo cual es importante porque todas las partes son demasiado pequeñas para manipularlas de manera eficiente, y queremos hacer miles de millones de dispositivos."
Aplicaciones
El proceso tiene el potencial de influir en una variedad de aplicaciones, de la administración de fármacos a la construcción de ordenadores a nanoescala. Sin embargo, para muchas aplicaciones, organizar componentes a nanoescala para crear dispositivos en tableros de ADN no es suficiente; los dispositivos tienen que conectarse juntos a circuitos más grandes y necesitan tener una forma de comunicarse con los dispositivos de mayor escala.
Una aproximación inicial era hacer electrodos primero, y luego esparcir dispositivos al azar sobre una superficie, con la expectativa de que al menos algunos aterrizarían en el lugar deseado, un método Rothemund describe como "rociar y rezar."
En 2009, Rothemund y sus colegas de IBM Research describieron por primera vez una técnica mediante la cual el origami de ADN puede colocarse en lugares precisos sobre las superficies utilizando litografía por haz de electrones para tallar sitios de unión adhesivos que tienen la misma forma que el origami. Por ejemplo, parches adhesivos triangulares amarran ADN plegado de forma triangular.
Durante los últimos siete años, Rothemund y Ashwin Gopinath, postdoc en bioingeniería en Caltech, han perfeccionado y ampliado esta técnica a fin de que las formas de ADN se pueden colocar con precisión en casi cualquier superficie utilizada en la fabricación de chips de ordenador. En el artículo de Nature informan de la primera aplicación de la técnica para instalar moléculas fluorescentes en fuentes de luz microscópicas.
"Es como usar el origami de ADN para atornillar las bombillas de lámparas moleculares microscópicas," dice Rothemund.
En este caso, las lámparas son estructuras microfabricadas llamadas cavidades de cristal fotónico (CCP), que están ajustadas para resonar a una longitud de onda particular de la luz, igual que un diapasón vibra con un tono en particular. Creado dentro de una membrana delgada como el cristal, un CCP toma la forma de un defecto en forma de bacteria dentro de un panal de agujeros por lo demás perfecto.
La imagen monocroma, de sólo el ancho de una moneda de diez centavos, fue un proyecto de prueba de concepto que demostró, por primera vez, cómo la colocación de precisión de origami (papiroflexia) de ADN se puede utilizar para construir dispositivos basados en chips como circuitos de ordenador a escalas más pequeñas que nunca.
El origami de ADN, desarrollado hace 10 años por Paul Rothemund de Caltech (BS '94), es una técnica que permite a los investigadores plegar una larga cadena de ADN en cualquier forma deseada. El ADN plegado actúa entonces como un andamio sobre el que los investigadores pueden unir y organizar todo tipo de componentes a escala nanométrica, desde moléculas fluorescentes hasta nanotubos de carbono eléctricamente conductores, pasando por fármacos.
"Hay que pensar en ello un poco como en los tableros de clavijas que usa la gente para organizar las herramientas en sus garajes, sólo que en este caso, el tablero se autoensambla a partir de hebras de ADN y las herramientas encuentran asimismo sus propias posiciones", dice Rothemund, profesor de investigación de bioingeniería, de informática y ciencias matemáticas, y de computación y sistemas neuronales, en la información de Caltech. "Todo sucede en un tubo de ensayo sin la intervención humana, lo cual es importante porque todas las partes son demasiado pequeñas para manipularlas de manera eficiente, y queremos hacer miles de millones de dispositivos."
Aplicaciones
El proceso tiene el potencial de influir en una variedad de aplicaciones, de la administración de fármacos a la construcción de ordenadores a nanoescala. Sin embargo, para muchas aplicaciones, organizar componentes a nanoescala para crear dispositivos en tableros de ADN no es suficiente; los dispositivos tienen que conectarse juntos a circuitos más grandes y necesitan tener una forma de comunicarse con los dispositivos de mayor escala.
Una aproximación inicial era hacer electrodos primero, y luego esparcir dispositivos al azar sobre una superficie, con la expectativa de que al menos algunos aterrizarían en el lugar deseado, un método Rothemund describe como "rociar y rezar."
En 2009, Rothemund y sus colegas de IBM Research describieron por primera vez una técnica mediante la cual el origami de ADN puede colocarse en lugares precisos sobre las superficies utilizando litografía por haz de electrones para tallar sitios de unión adhesivos que tienen la misma forma que el origami. Por ejemplo, parches adhesivos triangulares amarran ADN plegado de forma triangular.
Durante los últimos siete años, Rothemund y Ashwin Gopinath, postdoc en bioingeniería en Caltech, han perfeccionado y ampliado esta técnica a fin de que las formas de ADN se pueden colocar con precisión en casi cualquier superficie utilizada en la fabricación de chips de ordenador. En el artículo de Nature informan de la primera aplicación de la técnica para instalar moléculas fluorescentes en fuentes de luz microscópicas.
"Es como usar el origami de ADN para atornillar las bombillas de lámparas moleculares microscópicas," dice Rothemund.
En este caso, las lámparas son estructuras microfabricadas llamadas cavidades de cristal fotónico (CCP), que están ajustadas para resonar a una longitud de onda particular de la luz, igual que un diapasón vibra con un tono en particular. Creado dentro de una membrana delgada como el cristal, un CCP toma la forma de un defecto en forma de bacteria dentro de un panal de agujeros por lo demás perfecto.
Cavidad
"Dependiendo del tamaño exacto y el espaciamiento de los agujeros, una longitud de onda particular de la luz se refleja en el borde de la cavidad y queda atrapada en el interior," dice Gopinath, el autor principal del estudio.
Él construyó CCP que están ajustados para resonar a alrededor de 660 nanómetros, la longitud de onda correspondiente a un tono oscuro de color rojo. Moléculas fluorescentes ajustadas para brillar a una longitud de onda similar encienden las lámparas -siempre que se adhieran exactamente en el lugar correcto dentro del CCP.
"Una molécula fluorescente ajustada al mismo color que un CCP brilla de hecho con más intensidad dentro de la cavidad, pero la fuerza de este efecto de acoplamiento depende fuertemente de la posición de la molécula dentro de la cavidad. Unas pocas decenas de nanómetros es la diferencia entre que la molécula brille, o que no lo haga en absoluto", dice Gopinath.
Moviendo el origami de ADN a través de los CCP en pasos de 20 nanómetros, los investigadores encontraron que podían trazar un patrón de puntos calientes y fríos, en los que las bombillas moleculares brillaban o débil o fuertemente. Como resultado, fueron capaces de usar el origami de ADN para colocar moléculas fluorescentes y hacer lámparas de intensidad variable.
Estructuras similares se han propuesto para dar energía a los ordenadores cuánticos y para su uso en otras aplicaciones ópticas que requieren muchas fuentes de luz pequeña integradas juntas en un solo chip.
"Todos los anteriores trabajos de acoplamiento de emisores de luz a los CCP sólo crearon con éxito un puñado de lámparas que funcionaran, debido a la extraordinaria dificultad de controlar de forma reproducible el número y posición de los emisores en una cavidad", dice Gopinath.
Prueba
Para probar su nueva tecnología, los investigadores decidieron escalar hacia arriba y hacer una demostración visualmente atractiva. Mediante la creación de CCP con diferentes números de sitios de unión, Gopinath fue capaz de instalar de forma fiable cualquier número entre cero y siete de origami de ADN, lo que le permitió controlar digitalmente el brillo de cada lámpara.
Trató cada lámpara como un píxel con una de entre ocho intensidades diferentes, y produjo una matriz de 65.536 píxeles de CCP (una cuadrícula de 256 x 256 píxeles) para crear una reproducción de La noche estrellada, de Van Gogh.
Ahora que el equipo puede combinar de forma fiable moléculas con CCP, están trabajando para mejorar los emisores de luz. Las moléculas fluorescentes duran unos 45 segundos antes de reaccionar con el oxígeno y "quemarse", y emiten distintos tonos de rojo en lugar de un solo color puro. La solución de estos problemas ayudará con aplicaciones tales como los ordenadores cuánticos.
"Aparte de las aplicaciones, hay una gran cantidad de ciencia fundamental por hacer", dice Gopinath. El trabajo fue apoyado por las Fuerzas Armadas estadounidenses, y la Fundación Nacional de Ciencia del país.
"Dependiendo del tamaño exacto y el espaciamiento de los agujeros, una longitud de onda particular de la luz se refleja en el borde de la cavidad y queda atrapada en el interior," dice Gopinath, el autor principal del estudio.
Él construyó CCP que están ajustados para resonar a alrededor de 660 nanómetros, la longitud de onda correspondiente a un tono oscuro de color rojo. Moléculas fluorescentes ajustadas para brillar a una longitud de onda similar encienden las lámparas -siempre que se adhieran exactamente en el lugar correcto dentro del CCP.
"Una molécula fluorescente ajustada al mismo color que un CCP brilla de hecho con más intensidad dentro de la cavidad, pero la fuerza de este efecto de acoplamiento depende fuertemente de la posición de la molécula dentro de la cavidad. Unas pocas decenas de nanómetros es la diferencia entre que la molécula brille, o que no lo haga en absoluto", dice Gopinath.
Moviendo el origami de ADN a través de los CCP en pasos de 20 nanómetros, los investigadores encontraron que podían trazar un patrón de puntos calientes y fríos, en los que las bombillas moleculares brillaban o débil o fuertemente. Como resultado, fueron capaces de usar el origami de ADN para colocar moléculas fluorescentes y hacer lámparas de intensidad variable.
Estructuras similares se han propuesto para dar energía a los ordenadores cuánticos y para su uso en otras aplicaciones ópticas que requieren muchas fuentes de luz pequeña integradas juntas en un solo chip.
"Todos los anteriores trabajos de acoplamiento de emisores de luz a los CCP sólo crearon con éxito un puñado de lámparas que funcionaran, debido a la extraordinaria dificultad de controlar de forma reproducible el número y posición de los emisores en una cavidad", dice Gopinath.
Prueba
Para probar su nueva tecnología, los investigadores decidieron escalar hacia arriba y hacer una demostración visualmente atractiva. Mediante la creación de CCP con diferentes números de sitios de unión, Gopinath fue capaz de instalar de forma fiable cualquier número entre cero y siete de origami de ADN, lo que le permitió controlar digitalmente el brillo de cada lámpara.
Trató cada lámpara como un píxel con una de entre ocho intensidades diferentes, y produjo una matriz de 65.536 píxeles de CCP (una cuadrícula de 256 x 256 píxeles) para crear una reproducción de La noche estrellada, de Van Gogh.
Ahora que el equipo puede combinar de forma fiable moléculas con CCP, están trabajando para mejorar los emisores de luz. Las moléculas fluorescentes duran unos 45 segundos antes de reaccionar con el oxígeno y "quemarse", y emiten distintos tonos de rojo en lugar de un solo color puro. La solución de estos problemas ayudará con aplicaciones tales como los ordenadores cuánticos.
"Aparte de las aplicaciones, hay una gran cantidad de ciencia fundamental por hacer", dice Gopinath. El trabajo fue apoyado por las Fuerzas Armadas estadounidenses, y la Fundación Nacional de Ciencia del país.
Referencia bibliográfica:
Ashwin Gopinath, Evan Miyazono, Andrei Faraon, Paul W. K. Rothemund: Engineering and mapping nanocavity emission via precision placement of DNA origami. Nature (2016). DOI: 10.1038/nature18287.
Ashwin Gopinath, Evan Miyazono, Andrei Faraon, Paul W. K. Rothemund: Engineering and mapping nanocavity emission via precision placement of DNA origami. Nature (2016). DOI: 10.1038/nature18287.
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