Como crear nanomáquinas movibles 3D complejas usando ADN

Nueva técnica utiliza origami ADN, permite visualizar nuevas aplicaciones biomédicas.

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Ingenieros mecánicos de la Universidad Estatal de Ohio han diseñado y construido partes mecánicas complejas a nanoescala usando “origami ADN” –probando así que los mismos principios básicos de diseño que aplican para partes de una máquina de tamaño completo pueden ser también aplicados al ADN– y producir así componentes controlables y complejos para futuros nanorobots.

En un artículo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences, los ingenieros describen la manera en que utilizaron una combinación de ADN natural y sintético para construir máquinas complejas que realizan tareas repetitivas.

“La naturaleza ha producido máquinas moleculares complejas increíbles a nanoescala, y nuestro mayor objetivo en nanotecnología es reproducir esa funcionalidad sintéticamente”, dijo Carlos Castro, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial. “La mayoría de grupos de investigación abordan este problema desde un punto de vista biomimético –simulando la estructura de un sistema biológico– nosotros decidimos dar el salto en el bien establecido campo del diseño de máquinas macroscópicas para encontrar inspiración”.

“En esencia, utilizamos un sistema biomolecular que simula la ingeniería de sistemas de gran escala para lograr el mismo objetivo al desarrollar máquinas moleculares”, dijo.

Esta tecnología podría crear nanorobots complejos para suministro de mediciones dentro del cuerpo humano o ejecutar medidas biológicas a nanoescala, entre otras aplicaciones. De manera similar a la película de ficción “Transformers”, la máquina de origami ADN puede cambiar de forma para realizar distintas tareas.

“Creo firmemente que podemos construir algo similar al sistema Transformers, aunque no de manera similar a la película. Lo concibo más como una nanomáquina que puede detectar señales tales como la unión biomolecular, procesamiento de información basado en ese tipo de señales y responder de acuerdo a ello –quizá generando una fuerza o cambiando de forma”.

Cómo construir una nanomáquina compleja

macro-to-DNA-origamiEl método origami ADN para crear nanoestructuras ha sido ampliamente utilizado desde el 2006, y es ya un procedimiento estándar en muchos laboratorios que desarrollan sistemas de suministro corporal de medicina y dispositivos electrónicos. Este método involucra largas hebras de ADN unidas de manera que se obtengan formas diferentes, unidas posteriormente con “grapas” hechas de hebras más cortas de ADN.

La estructura resultante es suficientemente estable como para ejecutar tareas básicas, tales como llevar pequeñas cantidades de medicina en un contenedor de estructura ADN, abrir el contenedor-objetivo y liberar la medicina dentro.

Para crear nanomáquinas más complejas que desarrollaran tal tipo de tareas repetidamente, Castro se asoció con Haijun Su, también profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial de la misma universidad. Ambos equipos de investigación tienen experiencia en nanotecnología, biomecánica, ingeniería de máquinas y robótica.

Dos métodos básicos

Existen dos claves para su método único para diseñar y controlar el movimiento de las máquinas, explica Castro:

1. Crear ciertas partes de la estructura flexibles utilizando hebras simples de ADN y hacerlas rígidas utilizando ADN de doble hebra.

2. “Ajustar” las estructuras de ADN de manera que los movimientos de las máquinas sean reversibles y repetibles. Para lograrlo, los investigadores amarran sus estructuras con hebras sintéticas de ADN que cuelgan de las orillas. Estas hebras están diseñadas para funcionar como tiras que enganchan –se unen y se separan dependiendo de las señales químicas provenientes de los alrededores.

En el laboratorio, los estudiantes de postrado Alexander Marras y Lifeng Zhou tomaron hebras largas de ADN de un bacteriófago –un virus que infecta bacterias y es inofensivo para humanos– y “engraparon” las hebras largas con hebras más cortas de ADN sintético. Primero, unieron las dos tablas de ADN con grapas flexibles de los extremos para crear una bisagra simple. Castro comparó el proceso a “conectar dos tablas de madera de 2×4 con tiras cortas de 4 cuatro pulgadas en cada extremo”.

Una máquina con movimiento 3D

El equipo de investigación también construyó un sistema que mueve un pistón dentro de un cilindro. Esa máquina utilizó cinco tablones, tres bisagras y dos tubos de distintos diámetros –todos hechos de piezas de hebras dobles y simples de ADN.

Para probar si las máquinas se movían adecuadamente, utilizaron microscopía de transmisión electrónica (TEM). También marcaron el ADN con etiquetas fluorescentes de manera que pudieran observar los cambios en la forma utilizando un espectrofluorómetro.

Las pruebas confirmaron que las bisagras se abrían y cerraban y el pistón se movía hacia adelante y hacia atrás, y que los investigadores podían controlar el movimiento añadiendo pistas químicas a la solución, tales como hebras adicionales de ADN.

El método para diseñar junturas simples y conectarlas entre sí para crear sistemas más complejos es común en el diseño de máquinas macróscopicas, pero es la primera vez que se utiliza en ADN, según indican los investigadores, y es también la primera vez que alguien ajusta el ADN para crear un movimiento reversible de un mecanismo más complejo.

Fuente: [http://www.pnas.org/content/early/2015/01/02/1408869112]

Palabras más populares:

  • mecanismos mecanicos complejos