Nanotecnología de ADN - DNA nanotechnology
La nanotecnología del ADN es el diseño y fabricación de estructuras artificiales de ácidos nucleicos para usos tecnológicos. En este campo, los ácidos nucleicos se utilizan como materiales de ingeniería no biológica para la nanotecnología más que como portadores de información genética en células vivas . Los investigadores en el campo han creado estructuras estáticas como redes cristalinas bidimensionales y tridimensionales , nanotubos , poliedros y formas arbitrarias, y dispositivos funcionales como máquinas moleculares y computadoras de ADN . El campo está comenzando a usarse como una herramienta para resolver problemas de ciencias básicas en biología estructural y biofísica , incluidas aplicaciones en cristalografía de rayos X y espectroscopia de resonancia magnética nuclear de proteínas para determinar estructuras. También se están investigando aplicaciones potenciales en electrónica a escala molecular y nanomedicina .
La base conceptual de la nanotecnología del ADN fue establecida por primera vez por Nadrian Seeman a principios de la década de 1980, y el campo comenzó a atraer un interés generalizado a mediados de la década de 2000. Este uso de ácidos nucleicos está habilitado por sus estrictas reglas de emparejamiento de bases, que hacen que solo porciones de hebras con secuencias de bases complementarias se unan para formar estructuras de doble hélice rígidas y fuertes . Esto permite el diseño racional de secuencias de bases que se ensamblarán selectivamente para formar estructuras diana complejas con características de nanoescala controladas con precisión . Se utilizan varios métodos de ensamblaje para hacer estas estructuras, incluidas las estructuras basadas en mosaicos que se ensamblan a partir de estructuras más pequeñas, estructuras plegables usando el método de origami de ADN y estructuras reconfigurables dinámicamente usando métodos de desplazamiento de hebras. El nombre del campo hace referencia específicamente al ADN , pero los mismos principios se han utilizado también con otros tipos de ácidos nucleicos, lo que lleva al uso ocasional del nombre alternativo de nanotecnología de ácidos nucleicos .
Conceptos fundamentales
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Propiedades de los ácidos nucleicos
La nanotecnología se define a menudo como el estudio de materiales y dispositivos con características en una escala inferior a 100 nanómetros . La nanotecnología del ADN, específicamente, es un ejemplo de autoensamblaje molecular ascendente , en el que los componentes moleculares se organizan espontáneamente en estructuras estables; la forma particular de estas estructuras es inducida por las propiedades físicas y químicas de los componentes seleccionados por los diseñadores. En la nanotecnología del ADN, los materiales que lo componen son hebras de ácidos nucleicos como el ADN; estas hebras son a menudo sintéticas y casi siempre se utilizan fuera del contexto de una célula viva. El ADN se adapta bien a la construcción a nanoescala porque la unión entre dos cadenas de ácido nucleico depende de reglas simples de emparejamiento de bases que se comprenden bien y forman la estructura a nanoescala específica de la doble hélice del ácido nucleico . Estas cualidades hacen que el ensamblaje de estructuras de ácidos nucleicos sea fácil de controlar mediante el diseño de ácidos nucleicos . Esta propiedad está ausente en otros materiales utilizados en nanotecnología, incluidas las proteínas , para las que el diseño de proteínas es muy difícil, y las nanopartículas , que carecen de la capacidad de ensamblaje específico por sí mismas.
La estructura de una molécula de ácido nucleico consta de una secuencia de nucleótidos que se distingue por la base nucleica que contienen. En el ADN, las cuatro bases presentes son adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T). Los ácidos nucleicos tienen la propiedad de que dos moléculas solo se unirán entre sí para formar una doble hélice si las dos secuencias son complementarias , lo que significa que forman secuencias coincidentes de pares de bases, con A solo uniéndose a T y C solo a G. Porque la formación de pares de bases correctamente emparejados es energéticamente favorable , en la mayoría de los casos se espera que las cadenas de ácido nucleico se unan entre sí en la conformación que maximiza el número de bases correctamente emparejadas. Las secuencias de bases en un sistema de cadenas determinan así el patrón de unión y la estructura general de una manera fácilmente controlable. En la nanotecnología del ADN, los investigadores diseñan racionalmente las secuencias de bases de las hebras de modo que las interacciones de emparejamiento de bases provoquen que las hebras se ensamblen en la conformación deseada. Si bien el ADN es el material dominante utilizado, también se han construido estructuras que incorporan otros ácidos nucleicos como ARN y ácido nucleico peptídico (PNA).
Subcampos
La nanotecnología de ADN a veces se divide en dos subcampos superpuestos: nanotecnología de ADN estructural y nanotecnología de ADN dinámico. La nanotecnología de ADN estructural, a veces abreviada como SDN, se enfoca en sintetizar y caracterizar complejos de ácidos nucleicos y materiales que se ensamblan en un estado final de equilibrio estático . Por otro lado, la nanotecnología dinámica de ADN se centra en complejos con un comportamiento útil fuera del equilibrio, como la capacidad de reconfigurarse en función de un estímulo químico o físico. Algunos complejos, como los dispositivos nanomecánicos de ácidos nucleicos, combinan características de los subcampos tanto estructural como dinámico.
Los complejos construidos en la nanotecnología de ADN estructural utilizan estructuras de ácidos nucleicos topológicamente ramificadas que contienen uniones. (En contraste, la mayor parte del ADN biológico existe como una doble hélice no ramificada ). Una de las estructuras ramificadas más simples es una unión de cuatro brazos que consta de cuatro cadenas de ADN individuales, porciones de las cuales son complementarias en un patrón específico. A diferencia de las uniones naturales de Holliday , cada brazo en la unión de cuatro brazos inmóvil artificial tiene una secuencia de bases diferente , lo que hace que el punto de unión se fije en una posición determinada. Se pueden combinar múltiples uniones en el mismo complejo, como en el motivo estructural de doble cruce (DX) ampliamente utilizado , que contiene dos dominios de doble hélice paralelos con hebras individuales que se cruzan entre los dominios en dos puntos de cruce. Cada punto de cruce es, topológicamente, una unión de cuatro brazos, pero está restringido a una orientación, en contraste con la unión flexible de cuatro brazos, lo que proporciona una rigidez que hace que el motivo DX sea adecuado como un bloque de construcción estructural para complejos de ADN más grandes.
La nanotecnología de ADN dinámico utiliza un mecanismo llamado desplazamiento de la hebra mediado por los dedos del pie para permitir que los complejos de ácido nucleico se reconfiguren en respuesta a la adición de una nueva hebra de ácido nucleico. En esta reacción, la hebra entrante se une a una región de apoyo de una sola hebra de un complejo de doble hebra y luego desplaza una de las hebras unidas en el complejo original a través de un proceso de migración de ramas . El efecto general es que una de las hebras del complejo se reemplaza por otra. Además, se pueden fabricar estructuras y dispositivos reconfigurables utilizando ácidos nucleicos funcionales como desoxirribozimas y ribozimas , que pueden realizar reacciones químicas, y aptámeros , que pueden unirse a proteínas específicas o moléculas pequeñas.
Nanotecnología de ADN estructural
La nanotecnología de ADN estructural, a veces abreviada como SDN, se enfoca en sintetizar y caracterizar complejos de ácidos nucleicos y materiales donde el ensamblaje tiene un punto final de equilibrio estático. La doble hélice de ácido nucleico tiene una geometría tridimensional definida y robusta que permite simular, predecir y diseñar las estructuras de complejos de ácidos nucleicos más complicados. Se han creado muchas de estas estructuras, incluidas estructuras bidimensionales y tridimensionales, y estructuras periódicas, aperiódicas y discretas.
Celosías extendidas
Los complejos de ácido nucleico pequeños pueden equiparse con extremos pegajosos y combinarse en redes periódicas bidimensionales más grandes que contienen un patrón teselado específico de los mosaicos moleculares individuales. El primer ejemplo de esto utilizó complejos de doble cruce (DX) como mosaicos básicos, cada uno con cuatro extremos adhesivos diseñados con secuencias que hicieron que las unidades DX se combinaran en hojas planas bidimensionales periódicas que son cristales bidimensionales esencialmente rígidos de ADN. . También se han hecho matrices bidimensionales a partir de otros motivos, incluida la red de rombo de unión de Holliday , y varias matrices basadas en DX que hacen uso de un esquema de doble cohesión. Las dos imágenes superiores a la derecha muestran ejemplos de celosías periódicas basadas en mosaicos.
Se pueden hacer arreglos bidimensionales para exhibir estructuras aperiódicas cuyo ensamblaje implementa un algoritmo específico, exhibiendo una forma de computación de ADN. Los mosaicos DX pueden tener sus secuencias finales pegajosas elegidas para que actúen como mosaicos Wang , lo que les permite realizar cálculos. Se ha demostrado una matriz DX cuyo ensamblaje codifica una operación XOR ; esto permite que la matriz de ADN implemente un autómata celular que genera un fractal conocido como junta de Sierpinski . La tercera imagen de la derecha muestra este tipo de matriz. Otro sistema tiene la función de un contador binario , mostrando una representación de números binarios crecientes a medida que crece. Estos resultados muestran que la computación se puede incorporar en el ensamblaje de matrices de ADN.
Las matrices DX se han hecho para formar nanotubos huecos de 4 a 20 nm de diámetro, esencialmente rejillas bidimensionales que se curvan sobre sí mismas. Estos nanotubos de ADN son algo similares en tamaño y forma a los nanotubos de carbono , y aunque carecen de la conductancia eléctrica de los nanotubos de carbono, los nanotubos de ADN se modifican y conectan más fácilmente a otras estructuras. Uno de los muchos esquemas para construir nanotubos de ADN utiliza una red de mosaicos DX curvos que se enrollan alrededor de sí mismos y se cierran en un tubo. En un método alternativo que permite especificar la circunferencia de una manera simple y modular utilizando baldosas de una sola hebra, la rigidez del tubo es una propiedad emergente .
La formación de redes tridimensionales de ADN fue el primer objetivo de la nanotecnología del ADN, pero resultó ser uno de los más difíciles de lograr. El éxito con un motivo basado en el concepto de tensegridad , un equilibrio entre las fuerzas de tensión y compresión, finalmente se informó en 2009.
Estructuras discretas
Los investigadores han sintetizado muchos complejos de ADN tridimensionales, cada uno de los cuales tiene la conectividad de un poliedro , como un cubo o un octaedro , lo que significa que los dúplex de ADN trazan los bordes de un poliedro con una unión de ADN en cada vértice. Las primeras demostraciones de poliedros de ADN requirieron mucho trabajo, requiriendo múltiples ligaduras y pasos de síntesis en fase sólida para crear poliedros catenados . El trabajo posterior arrojó poliedros cuya síntesis fue mucho más fácil. Estos incluyen un octaedro de ADN hecho de una sola hebra larga diseñada para plegarse en la conformación correcta, y un tetraedro que se puede producir a partir de cuatro hebras de ADN en un solo paso, como se muestra en la parte superior de este artículo.
Las nanoestructuras de formas arbitrarias y no regulares generalmente se hacen utilizando el método de origami de ADN . Estas estructuras consisten en una hebra de virus larga y natural como un "andamio", que se hace para plegarse en la forma deseada mediante hebras cortas de "grapas" diseñadas computacionalmente. Este método tiene las ventajas de ser fácil de diseñar, ya que la secuencia de bases está predeterminada por la secuencia de la hebra del andamio y no requiere una alta pureza de la hebra y una estequiometría precisa , como lo hacen la mayoría de los otros métodos de nanotecnología de ADN. El origami de ADN se demostró por primera vez para formas bidimensionales, como una carita sonriente , un mapa burdo del hemisferio occidental y la pintura de Mona Lisa. Se pueden hacer estructuras tridimensionales sólidas utilizando hélices de ADN paralelas dispuestas en un patrón de panal, y se pueden hacer estructuras con caras bidimensionales para que se plieguen en una forma tridimensional general hueca, similar a una caja de cartón. Estos pueden programarse para abrirse y revelar o liberar una carga molecular en respuesta a un estímulo, lo que los hace potencialmente útiles como jaulas moleculares programables .
Ensamblaje con plantilla
Se pueden hacer estructuras de ácidos nucleicos para incorporar moléculas distintas de los ácidos nucleicos, a veces llamadas heteroelementos, que incluyen proteínas, nanopartículas metálicas, puntos cuánticos y fullerenos . Esto permite la construcción de materiales y dispositivos con una gama de funcionalidades mucho mayor de lo que es posible con los ácidos nucleicos solos. El objetivo es utilizar el autoensamblaje de las estructuras de ácidos nucleicos para moldear el ensamblaje de las nanopartículas alojadas en ellas, controlando su posición y en algunos casos su orientación. Muchos de estos esquemas usan un esquema de unión covalente, usando oligonucleótidos con grupos funcionales amida o tiol como un manejo químico para unir los heteroelementos. Este esquema de unión covalente se ha utilizado para organizar nanopartículas de oro en una matriz basada en DX y para organizar moléculas de proteína de estreptavidina en patrones específicos en una matriz DX. Se utilizó un esquema de alojamiento no covalente que utiliza poliamidas Dervan en una matriz DX para organizar las proteínas de estreptavidina en un patrón específico en una matriz DX. Los nanotubos de carbono se han alojado en matrices de ADN en un patrón que permite que el conjunto actúe como un dispositivo electrónico molecular , un transistor de efecto de campo de nanotubos de carbono . Además, existen métodos de metalización de ácidos nucleicos, en los que el ácido nucleico es reemplazado por un metal que asume la forma general de la estructura de ácido nucleico original, y esquemas para usar nanoestructuras de ácidos nucleicos como máscaras de litografía , transfiriendo su patrón a una superficie sólida. .
Nanotecnología dinámica de ADN
La nanotecnología de ADN dinámico se centra en la formación de sistemas de ácidos nucleicos con funcionalidades dinámicas diseñadas relacionadas con sus estructuras generales, como la computación y el movimiento mecánico. Existe cierta superposición entre la nanotecnología de ADN estructural y dinámica, ya que las estructuras se pueden formar a través del recocido y luego reconfigurar dinámicamente, o se pueden hacer que se formen dinámicamente en primer lugar.
Dispositivos nanomecánicos
Se han creado complejos de ADN que cambian su conformación ante algún estímulo, convirtiéndolos en una forma de nanorobótica . Estas estructuras se forman inicialmente de la misma manera que las estructuras estáticas creadas en la nanotecnología de ADN estructural, pero están diseñadas para que la reconfiguración dinámica sea posible después del ensamblaje inicial. El primer dispositivo de este tipo hizo uso de la transición entre las formas B-DNA y Z-DNA para responder a un cambio en las condiciones del amortiguador mediante un movimiento de torsión. Esta dependencia de las condiciones del búfer hizo que todos los dispositivos cambiaran de estado al mismo tiempo. Los sistemas posteriores podrían cambiar de estado en función de la presencia de hilos de control, lo que permitiría que varios dispositivos funcionen de forma independiente en la solución. Algunos ejemplos de tales sistemas son un diseño de "pinzas moleculares" que tiene un estado abierto y uno cerrado, un dispositivo que podría cambiar de una conformación de cruce paranémico (PX) a una conformación de doble unión (JX2), experimentando un movimiento de rotación en el proceso y una matriz bidimensional que podría expandirse y contraerse dinámicamente en respuesta a los hilos de control. También se han hecho estructuras que se abren o cierran dinámicamente, actuando potencialmente como una jaula molecular para liberar o revelar una carga funcional al abrirse.
Los caminadores de ADN son una clase de nanomáquinas de ácido nucleico que exhiben movimiento direccional a lo largo de una pista lineal. Se ha demostrado una gran cantidad de esquemas. Una estrategia es controlar el movimiento del andador a lo largo de la pista utilizando hilos de control que deben agregarse manualmente en secuencia. Otro enfoque es hacer uso de enzimas de restricción o desoxirribozimas para escindir las hebras y hacer que el caminante avance, lo que tiene la ventaja de funcionar de forma autónoma. Un sistema posterior podría caminar sobre una superficie bidimensional en lugar de una pista lineal, y demostró la capacidad de recoger y mover de forma selectiva carga molecular. Además, se ha demostrado que un caminante lineal realiza una síntesis de plantilla de ADN a medida que el caminante avanza a lo largo de la pista, lo que permite una síntesis química autónoma de varios pasos dirigida por el caminante. La función de los caminantes de ADN sintético es similar a la de las proteínas dineína y kinesina.
Cascadas de desplazamiento de hebras
Las cascadas de reacciones de desplazamiento de hebras se pueden utilizar con fines computacionales o estructurales. Una reacción de desplazamiento de hebra individual implica revelar una nueva secuencia en respuesta a la presencia de alguna hebra iniciadora. Muchas de estas reacciones se pueden vincular en una cascada en la que la secuencia de salida recientemente revelada de una reacción puede iniciar otra reacción de desplazamiento de cadena en otro lugar. Esto, a su vez, permite la construcción de redes de reacción química con muchos componentes, que exhiben complejas capacidades computacionales y de procesamiento de información. Estas cascadas se hacen energéticamente favorables a través de la formación de nuevos pares de bases y la ganancia de entropía de las reacciones de desmontaje. Las cascadas de desplazamiento de hebras permiten la operación isotérmica del ensamblaje o proceso computacional, en contraste con el requisito de ensamblaje de ácido nucleico tradicional para un paso de recocido térmico, donde la temperatura se eleva y luego se reduce lentamente para garantizar la formación adecuada de la estructura deseada. También pueden soportar la función catalítica de la especie de iniciador, donde menos de un equivalente del iniciador puede hacer que la reacción se complete.
Los complejos de desplazamiento de hebras se pueden utilizar para hacer puertas lógicas moleculares capaces de realizar cálculos complejos. A diferencia de las computadoras electrónicas tradicionales, que usan corriente eléctrica como entradas y salidas, las computadoras moleculares usan las concentraciones de especies químicas específicas como señales. En el caso de los circuitos de desplazamiento de cadena de ácido nucleico, la señal es la presencia de cadenas de ácido nucleico que se liberan o consumen mediante eventos de unión y desvinculación a otras cadenas en complejos de desplazamiento. Este enfoque se ha utilizado para crear puertas lógicas como las puertas AND, OR y NOT. Más recientemente, se demostró un circuito de cuatro bits que puede calcular la raíz cuadrada de los números enteros 0-15, utilizando un sistema de puertas que contiene 130 hebras de ADN.
Otro uso de las cascadas de desplazamiento de cordones es para hacer estructuras ensambladas dinámicamente. Estos utilizan una estructura de horquilla para los reactivos, de modo que cuando la hebra de entrada se une, la secuencia recién revelada está en la misma molécula en lugar de desmontarse. Esto permite agregar nuevas horquillas abiertas a un complejo en crecimiento. Este enfoque se ha utilizado para hacer estructuras simples como uniones de tres y cuatro brazos y dendrímeros .
Aplicaciones
La nanotecnología de ADN proporciona una de las pocas formas de formar estructuras complejas diseñadas con un control preciso sobre las características a nanoescala. El campo está comenzando a ver aplicación para resolver problemas de ciencias básicas en biología estructural y biofísica . La primera aplicación de este tipo prevista para el campo, y una todavía en desarrollo, es la cristalografía , donde las moléculas que son difíciles de cristalizar de forma aislada podrían disponerse dentro de una red de ácido nucleico tridimensional, permitiendo la determinación de su estructura. Otra aplicación es el uso de varillas de origami de ADN para reemplazar cristales líquidos en experimentos de acoplamiento dipolar residual en espectroscopía de RMN de proteínas ; el uso de origami de ADN es ventajoso porque, a diferencia de los cristales líquidos, son tolerantes a los detergentes necesarios para suspender las proteínas de la membrana en solución. Los caminadores de ADN se han utilizado como líneas de ensamblaje a nanoescala para mover nanopartículas y dirigir la síntesis química . Además, las estructuras de origami de ADN han ayudado en los estudios biofísicos de la función enzimática y el plegamiento de proteínas .
La nanotecnología de ADN avanza hacia posibles aplicaciones del mundo real. La capacidad de las matrices de ácidos nucleicos para organizar otras moléculas indica sus aplicaciones potenciales en la electrónica de escala molecular. El ensamblaje de una estructura de ácido nucleico podría usarse para moldear el ensamblaje de elementos electrónicos moleculares como cables moleculares , proporcionando un método para el control a escala nanométrica de la ubicación y la arquitectura general del dispositivo análogo a una placa de pruebas molecular . La nanotecnología del ADN se ha comparado con el concepto de materia programable debido al acoplamiento de la computación a sus propiedades materiales.
En un estudio realizado por un grupo de científicos de los centros iNANO y CDNA en la Universidad de Aarhus , los investigadores pudieron construir una pequeña caja de ADN 3D de Origami multi-conmutable. La nanopartícula propuesta se caracterizó por microscopía de fuerza atómica (AFM), microscopía electrónica de transmisión (TEM) y transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET). Se demostró que la caja construida tenía un mecanismo de reconexión único, que le permitía abrirse y cerrarse repetidamente en respuesta a un conjunto único de claves de ADN o ARN. Los autores propusieron que este "dispositivo de ADN se puede utilizar potencialmente para una amplia gama de aplicaciones, como el control de la función de moléculas individuales, la administración controlada de fármacos y la computación molecular".
Existen aplicaciones potenciales para la nanotecnología de ADN en nanomedicina, haciendo uso de su capacidad para realizar cálculos en un formato biocompatible para fabricar "fármacos inteligentes" para la administración de fármacos dirigida , así como para aplicaciones de diagnóstico . Uno de estos sistemas que se está investigando utiliza una caja de ADN hueca que contiene proteínas que inducen la apoptosis , o muerte celular, que solo se abre cuando está cerca de una célula cancerosa . Además, ha habido interés en expresar estas estructuras artificiales en células bacterianas vivas diseñadas, probablemente utilizando el ARN transcrito para el ensamblaje, aunque se desconoce si estas estructuras complejas pueden plegarse o ensamblarse de manera eficiente en el citoplasma de la célula . Si tiene éxito, esto podría permitir la evolución dirigida de nanoestructuras de ácidos nucleicos. Los científicos de la Universidad de Oxford informaron del autoensamblaje de cuatro hebras cortas de ADN sintético en una jaula que puede ingresar a las células y sobrevivir durante al menos 48 horas. Se encontró que los tetraedros de ADN marcados con fluorescencia permanecían intactos en las células de riñón humano cultivadas en el laboratorio a pesar del ataque de las enzimas celulares después de dos días. Este experimento mostró el potencial de la administración de fármacos dentro de las células vivas utilizando la "jaula" de ADN. Se utilizó un tetraedro de ADN para administrar la interferencia de ARN (ARNi) en un modelo de ratón, informó un equipo de investigadores del MIT . La administración del ARN interferente para el tratamiento ha mostrado cierto éxito con el uso de polímeros o lípidos , pero existen límites de seguridad y dirección imprecisa, además de una vida útil corta en el torrente sanguíneo. La nanoestructura de ADN creada por el equipo consta de seis hebras de ADN para formar un tetraedro, con una hebra de ARN adherida a cada uno de los seis bordes. El tetraedro está equipado además con una proteína dirigida, tres moléculas de folato , que llevan a las nanopartículas de ADN a los abundantes receptores de folato que se encuentran en algunos tumores. El resultado mostró que la expresión génica dirigida por el ARNi, la luciferasa , se redujo en más de la mitad. Este estudio se muestra prometedor en el uso de la nanotecnología de ADN como una herramienta eficaz para administrar el tratamiento utilizando la tecnología emergente de interferencia de ARN. El tetraedro de ADN también se utilizó en un esfuerzo por superar el fenómeno de la resistencia a múltiples fármacos . La doxorrubicina (DOX) se conjugó con el tetraedro y se cargó en células de cáncer de mama MCF-7 que contenían la bomba de salida del fármaco de glicoproteína P. Los resultados del experimento mostraron que el DOX no se estaba bombeando y se logró la apoptosis de las células cancerosas. El tetraedro sin DOX se cargó en las células para probar su biocompatibilidad y la estructura no mostró citotoxicidad por sí misma. El tetraedro de ADN también se utilizó como código de barras para perfilar la expresión subcelular y la distribución de proteínas en las células con fines de diagnóstico. El tetraédrico nanoestructurado mostró una señal mejorada debido a una mayor eficiencia y estabilidad de marcado.
Las aplicaciones de la nanotecnología de ADN en nanomedicina también se centran en imitar la estructura y función de las proteínas de membrana de origen natural con nanoestructuras de ADN diseñadas. En 2012, Langecker et al. introdujo una estructura de origami de ADN en forma de poro que se puede autoinsertar en las membranas lipídicas a través de modificaciones hidrofóbicas del colesterol e inducir corrientes iónicas a través de la membrana. Esta primera demostración de un canal de iones de ADN sintético fue seguida por una variedad de diseños de inducción de poros que van desde un solo dúplex de ADN hasta pequeñas estructuras basadas en mosaicos y grandes porinas transmembrana de origami de ADN . De manera similar a los canales iónicos de proteínas de origen natural , este conjunto de contrapartes fabricadas con ADN sintético abarca múltiples órdenes de magnitud en conductancia. El estudio del dúplex de ADN único que inserta la membrana mostró que la corriente también debe fluir en la interfaz ADN-lípido ya que no hay un lumen del canal central en el diseño que permita que los iones pasen a través de la bicapa lipídica . Esto indicó que el poro lipídico inducido por ADN tiene una forma toroidal , en lugar de cilíndrica, ya que los grupos de cabezas de lípidos se reorientan para mirar hacia la parte del ADN insertada en la membrana. Investigadores de la Universidad de Cambridge y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign luego demostraron que tal poro toroidal inducido por ADN puede facilitar un cambio rápido de lípidos entre los folletos de la bicapa lipídica. Utilizando este efecto, diseñaron una enzima sintética construida con ADN que voltea los lípidos en las membranas biológicas órdenes de magnitudes más rápido que las proteínas naturales llamadas scramblases . Este desarrollo destaca el potencial de las nanoestructuras de ADN sintético para fármacos y terapias personalizadas.
Diseño
Las nanoestructuras de ADN deben diseñarse racionalmente para que las hebras de ácido nucleico individuales se ensamblen en las estructuras deseadas. Este proceso generalmente comienza con la especificación de una estructura o función objetivo deseada . Luego, se determina la estructura secundaria general del complejo diana, especificando la disposición de las cadenas de ácido nucleico dentro de la estructura, y qué partes de esas cadenas deben unirse entre sí. El último paso es el diseño de la estructura primaria , que es la especificación de las secuencias de bases reales de cada hebra de ácido nucleico.
Diseño estructural
El primer paso en el diseño de una nanoestructura de ácido nucleico es decidir cómo debe representarse una estructura determinada mediante una disposición específica de cadenas de ácido nucleico. Este paso de diseño determina la estructura secundaria, o las posiciones de los pares de bases que mantienen las hebras individuales juntas en la forma deseada. Se han demostrado varios enfoques:
- Estructuras a base de azulejos. Este enfoque divide la estructura objetivo en unidades más pequeñas con una fuerte unión entre las hebras contenidas en cada unidad e interacciones más débiles entre las unidades. A menudo se usa para hacer celosías periódicas, pero también se puede usar para implementar el autoensamblaje algorítmico, convirtiéndolos en una plataforma para la computación del ADN . Esta fue la estrategia de diseño dominante utilizada desde mediados de la década de 1990 hasta mediados de la década de 2000, cuando se desarrolló la metodología de origami de ADN.
- Estructuras plegables. Una alternativa al enfoque basado en mosaicos, los enfoques de plegado hacen que la nanoestructura a partir de una hebra larga, que puede tener una secuencia diseñada que se pliega debido a sus interacciones consigo misma, o se puede plegar en la forma deseada utilizando una grapa más corta " "hebras. Este último método se llama origami de ADN , que permite formar formas bidimensionales y tridimensionales a nanoescala (consulte Estructuras discretas más arriba).
- Montaje dinámico. Este enfoque controla directamente la cinética del autoensamblaje del ADN, especificando todos los pasos intermedios en el mecanismo de reacción además del producto final. Esto se hace utilizando materiales de partida que adoptan una estructura de horquilla ; estos luego se ensamblan en la conformación final en una reacción en cascada , en un orden específico (ver Cascadas de desplazamiento de hebras a continuación). Este enfoque tiene la ventaja de proceder de forma isotérmica , a una temperatura constante. Esto contrasta con los enfoques termodinámicos, que requieren un paso de recocido térmico en el que se requiere un cambio de temperatura para activar el ensamblaje y favorecer la formación adecuada de la estructura deseada.
Diseño de secuencia
Después de que se utilice cualquiera de los enfoques anteriores para diseñar la estructura secundaria de un complejo diana, se debe idear una secuencia real de nucleótidos que se formará en la estructura deseada. El diseño de ácidos nucleicos es el proceso de asignar una secuencia de bases de ácidos nucleicos específica a cada una de las cadenas constituyentes de una estructura para que se asocien en una conformación deseada. La mayoría de los métodos tienen el objetivo de diseñar secuencias de modo que la estructura objetivo tenga la energía más baja y, por lo tanto, sea la más favorable termodinámicamente, mientras que las estructuras ensambladas incorrectamente tengan energías más altas y, por lo tanto, estén desfavorecidas. Esto se hace a través de métodos heurísticos simples y más rápidos , como la minimización de la simetría de secuencia , o mediante el uso de un modelo termodinámico completo del vecino más cercano , que es más preciso pero más lento y más intensivo en computación. Los modelos geométricos se utilizan para examinar la estructura terciaria de las nanoestructuras y para garantizar que los complejos no estén demasiado tensos .
El diseño de ácidos nucleicos tiene objetivos similares al diseño de proteínas . En ambos, la secuencia de monómeros está diseñada para favorecer la estructura diana deseada y desfavorecer otras estructuras. El diseño de ácidos nucleicos tiene la ventaja de ser mucho más fácil computacionalmente que el diseño de proteínas, porque las reglas simples de emparejamiento de bases son suficientes para predecir la preferencia energética de una estructura y no se requiere información detallada sobre el plegamiento tridimensional general de la estructura. Esto permite el uso de métodos heurísticos simples que producen diseños experimentalmente robustos. Las estructuras de ácidos nucleicos son menos versátiles que las proteínas en su función debido a la mayor capacidad de las proteínas para plegarse en estructuras complejas y la diversidad química limitada de los cuatro nucleótidos en comparación con los veinte aminoácidos proteinogénicos .
Materiales y métodos
Las secuencias de las hebras de ADN que componen una estructura objetivo se diseñan computacionalmente, utilizando software de modelado molecular y termodinámico . Los propios ácidos nucleicos se sintetizan luego usando métodos de síntesis de oligonucleótidos estándar , normalmente automatizados en un sintetizador de oligonucleótidos , y las cadenas de secuencias personalizadas están disponibles comercialmente. Las hebras se pueden purificar mediante electroforesis en gel desnaturalizante si es necesario, y se pueden determinar concentraciones precisas mediante cualquiera de varios métodos de cuantificación de ácidos nucleicos usando espectroscopía de absorbancia ultravioleta .
Las estructuras diana completamente formadas se pueden verificar usando electroforesis en gel nativo , que proporciona información sobre el tamaño y la forma de los complejos de ácido nucleico. Un ensayo de cambio de movilidad electroforética puede evaluar si una estructura incorpora todas las hebras deseadas. El etiquetado fluorescente y la transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET) se utilizan a veces para caracterizar la estructura de los complejos.
Las estructuras de ácidos nucleicos pueden formarse imágenes directamente mediante microscopía de fuerza atómica , que es muy adecuada para estructuras bidimensionales extendidas, pero menos útil para estructuras tridimensionales discretas debido a la interacción de la punta del microscopio con la frágil estructura del ácido nucleico; En este caso, a menudo se utilizan microscopía electrónica de transmisión y microscopía crioelectrónica . Extended celosías tridimensionales son analizados por cristalografía de rayos X .
Historia
La base conceptual de la nanotecnología del ADN fue establecida por primera vez por Nadrian Seeman a principios de la década de 1980. La motivación original de Seeman era crear una red de ADN tridimensional para orientar otras moléculas grandes, lo que simplificaría su estudio cristalográfico al eliminar el difícil proceso de obtener cristales puros. Según los informes, esta idea se le ocurrió a fines de 1980, después de darse cuenta de la similitud entre el grabado en madera Depth de MC Escher y una serie de uniones de ADN de seis brazos. En ese momento se conocían varias estructuras naturales de ADN ramificado, incluida la bifurcación de replicación del ADN y la unión móvil de Holliday , pero la idea de Seeman fue que se podían crear uniones inmóviles de ácidos nucleicos diseñando adecuadamente las secuencias de las cadenas para eliminar la simetría en la molécula ensamblada, y eso estas uniones inmóviles podrían, en principio, combinarse en retículas cristalinas rígidas. El primer artículo teórico que propone este esquema se publicó en 1982 y la primera demostración experimental de una unión de ADN inmóvil se publicó al año siguiente.
En 1991, el laboratorio de Seeman publicó un informe sobre la síntesis de un cubo hecho de ADN, la primera nanoestructura sintética de ácido nucleico tridimensional, por la que recibió el Premio Feynman de Nanotecnología en 1995 . Esto fue seguido por un octaedro truncado de ADN . Pronto quedó claro que estas estructuras, formas poligonales con uniones flexibles como vértices , no eran lo suficientemente rígidas para formar celosías tridimensionales extendidas. Seeman desarrolló el motivo estructural de doble cruce (DX) , más rígido , y en 1998, en colaboración con Erik Winfree , publicó la creación de celosías bidimensionales de baldosas DX. Estas estructuras basadas en mosaicos tenían la ventaja de que proporcionaban la capacidad de implementar la computación de ADN, que fue demostrada por Winfree y Paul Rothemund en su artículo de 2004 sobre el autoensamblaje algorítmico de una estructura de junta de Sierpinski, y por lo que compartieron el Feynman de 2006. Premio en Nanotecnología. La idea clave de Winfree fue que los mosaicos DX podrían usarse como mosaicos Wang , lo que significa que su ensamblaje podría realizar cálculos. La síntesis de una celosía tridimensional fue finalmente publicada por Seeman en 2009, casi treinta años después de que se había propuesto lograrlo.
Se siguieron descubriendo nuevas habilidades para las estructuras de ADN diseñadas a lo largo de la década de 2000. La primera nanomáquina de ADN, un motivo que cambia su estructura en respuesta a una entrada, fue demostrada en 1999 por Seeman. Bernard Yurke demostró al año siguiente un sistema mejorado, que fue el primer dispositivo de ácido nucleico en utilizar el desplazamiento de la hebra mediado por los dedos del pie . El siguiente avance fue traducir esto en movimiento mecánico, y en 2004 y 2005, los grupos de Seeman, Niles Pierce , Andrew Turberfield y Chengde Mao demostraron varios sistemas de caminadores de ADN . La idea de utilizar matrices de ADN para moldear el ensamblaje de otras moléculas como nanopartículas y proteínas, sugerida por primera vez por Bruche Robinson y Seeman en 1987, fue demostrada en 2002 por Seeman, Kiehl et al. y posteriormente por muchos otros grupos.
En 2006, Rothemund demostró por primera vez el método de origami de ADN para formar de manera fácil y robusta estructuras de ADN plegadas de forma arbitraria. Rothemund había concebido este método como conceptualmente intermedio entre las celosías DX de Seeman, que usaban muchas hebras cortas, y el octaedro de ADN de William Shih , que consistía principalmente en una hebra muy larga. El origami de ADN de Rothemund contiene una hebra larga cuyo plegado es asistido por varias hebras cortas. Este método permitió formar estructuras mucho más grandes de lo que antes era posible, y que son menos exigentes técnicamente de diseñar y sintetizar. El origami de ADN fue la historia de portada de Nature el 15 de marzo de 2006. La investigación de Rothemund que demuestra estructuras de origami de ADN bidimensionales fue seguida por la demostración de origami de ADN tridimensional sólido por Douglas et al. en 2009, mientras que los laboratorios de Jørgen Kjems y Yan demostraron estructuras tridimensionales huecas hechas de caras bidimensionales.
La nanotecnología del ADN se encontró inicialmente con cierto escepticismo debido al uso inusual no biológico de los ácidos nucleicos como materiales para construir estructuras y hacer cálculos, y la preponderancia de experimentos de prueba de principios que extendieron las capacidades del campo pero estaban lejos de las aplicaciones reales. El artículo de 1991 de Seeman sobre la síntesis del cubo de ADN fue rechazado por la revista Science después de que un crítico elogiara su originalidad mientras que otro lo criticaba por su falta de relevancia biológica. A principios de la década de 2010, se consideró que el campo había aumentado sus habilidades hasta el punto de que las aplicaciones para la investigación científica básica comenzaban a realizarse y las aplicaciones prácticas en la medicina y otros campos comenzaban a considerarse factibles. El campo había crecido de muy pocos laboratorios activos en 2001 a al menos 60 en 2010, lo que aumentó el grupo de talentos y, por lo tanto, el número de avances científicos en el campo durante esa década.
Ver también
- Sociedad Internacional de Ciencia, Computación e Ingeniería a Nanoescala
- Comparación de software de simulación de ácidos nucleicos
- Modelos moleculares de ADN
- Nanobiotecnología
Referencias
Otras lecturas
General:
- Seeman, Nadrian C. (junio de 2004). "Nanotecnología y doble hélice". Scientific American . 290 (6): 64–75. Código Bibliográfico : 2004SciAm.290f..64S . doi : 10.1038 / scientificamerican0604-64 . PMID 15195395 .—Un artículo escrito para laicos por el fundador del campo
- Seeman, Nadrian C. (9 de junio de 2010). "Nanotecnología de ADN estructural: creciendo junto con Nano Letters" . Nano Letras . 10 (6): 1971–1978. Código Bibliográfico : 2010NanoL..10.1971S . doi : 10.1021 / nl101262u . PMC 2901229 . PMID 20486672 .—Una revisión de los resultados en el período 2001-2010
- Seeman, Nadrian C. (2010). "Nanomateriales basados en ADN" . Revisión anual de bioquímica . 79 : 65–87. doi : 10.1146 / annurev-biochem-060308-102244 . PMC 3454582 . PMID 20222824 .—Una revisión más completa que incluya resultados tanto antiguos como nuevos en el campo
- Service, Robert F. (3 de junio de 2011). "La nanotecnología del ADN crece". Ciencia . 332 (6034): 1140-1143. Código Bibliográfico : 2011Sci ... 332.1140S . doi : 10.1126 / science.332.6034.1140 . PMID 21636754 .y Service, RF (2011). "Siguiente paso: ¿Robots de ADN?". Ciencia . 332 (6034): 1142. doi : 10.1126 / science.332.6034.1142 . PMID 21636755 .. — Un artículo de noticias centrado en la historia del campo y el desarrollo de nuevas aplicaciones.
- Zadegan, Reza M .; Norton, Michael L. (junio de 2012). "Nanotecnología de ADN estructural: del diseño a las aplicaciones" . En t. J. Mol. Sci . 13 (6): 7149–7162. doi : 10.3390 / ijms13067149 . PMC 3397516 . PMID 22837684 .—Una revisión muy reciente y completa en el campo
Subcampos específicos:
- Bath, Jonathan; Turberfield, Andrew J. (5 de mayo de 2007). "Nanomáquinas de ADN". Nanotecnología de la naturaleza . 2 (5): 275–284. Código Bibliográfico : 2007NatNa ... 2..275B . doi : 10.1038 / nnano.2007.104 . PMID 18654284 .—Una revisión de los dispositivos nanomecánicos de ácidos nucleicos
- Feldkamp, Udo; Niemeyer, Christof M. (13 de marzo de 2006). "Diseño racional de nanoarquitecturas de ADN". Angewandte Chemie International Edition . 45 (12): 1856–76. doi : 10.1002 / anie.200502358 . PMID 16470892 .—Una revisión desde el punto de vista del diseño de estructuras secundarias
- Lin, Chenxiang; Liu, Yan; Rinker, Sherri; Yan, Hao (11 de agosto de 2006). "Autoensamblaje basado en mosaicos de ADN: construcción de nanoarquitecturas complejas". ChemPhysChem . 7 (8): 1641–1647. doi : 10.1002 / cphc.200600260 . PMID 16832805 .—Una minireview que se centra específicamente en el ensamblaje basado en mosaicos
- Zhang, David Yu; Seelig, Georg (febrero de 2011). "Nanotecnología dinámica de ADN mediante reacciones de desplazamiento de cadena". Química de la naturaleza . 3 (2): 103-113. Código bibliográfico : 2011NatCh ... 3..103Z . doi : 10.1038 / nchem.957 . PMID 21258382 .—Una revisión de los sistemas de ADN que utilizan mecanismos de desplazamiento de cadenas
enlaces externos
- ¿Qué es la bionanotecnología? —Un vídeo de introducción a la nanotecnología del ADN