Máquinas de ADN poco a poco

Wikimedia Commons, M Strong et al.Los avances en nanotecnología están allanando el camino para una variedad de «inteligentes»; nanodispositivos, desde aquellos que buscan y matan células cancerosas hasta robots microscópicos que construyen drogas de diseño. En el impulso para crear tales dispositivos de tamaño nanométrico, los investigadores han llegado a confiar en el ADN. Con solo unas pocas bases, el ADN puede no tener la complejidad de las proteínas basadas en aminoácidos, pero algunos científicos encuentran atractivo este minimalismo.

“Las reglas que gobiernan las interacciones del ADN son simples y fáciles de controlar ,” explicó Andrew Turberfield, un nanocientífico de la Universidad de Oxford. «A se empareja con T, y C se empareja con G, y eso es básicamente todo». Las opciones limitadas hacen que las nanomáquinas basadas en ADN sean más sencillas de diseñar que las alternativas basadas en proteínas, señaló, aunque podrían cumplir muchas de las mismas funciones. De hecho, la última década ha visto el desarrollo de una vertiginosa variedad de nanomáquinas basadas en ADN, incluidos caminantes de ADN,…

Además, al igual que las máquinas basadas en proteínas, las nuevas tecnologías se basan en los mismos componentes básicos. que utilizan las células. Como tal, las máquinas de ADN aprovechan los procesos celulares naturales y funcionan felizmente con la célula, dijo Timothy Lu, biólogo sintético del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), lo que permite a los nanocientíficos pensar en abordar problemas relacionados con las enfermedades humanas.

Camine por la línea

Uno de los principales avances de la nanotecnología de ADN es el desarrollo de dispositivos minúsculos nanomotores de ADN que pueden moverse por sí mismos. Dichos dispositivos de movimiento autónomo podrían potencialmente programarse para llevar medicamentos directamente a los tejidos objetivo, o servir como pequeñas fábricas mediante la construcción de productos como medicamentos de diseño o incluso otras nanomáquinas.

Las nanomáquinas basadas en ADN se basan en ADN de cadena sencilla naturales tendencia a unir hebras con secuencias complementarias, configurando pistas de ADN para servir como puntos de apoyo para los pies monocatenarios de los caminantes de ADN. En 2009, el equipo de Nadrian Seemans de la Universidad de Nueva York construyó un diminuto andador de ADN compuesto por dos patas que se movían como un gusano de una pulgada a lo largo de una ruta de ADN de 49 nanómetros de largo.

Pero para dirigir drogas o ensamblar productos útiles, los investigadores necesitan nanomáquinas de ADN para hacer algo más que avanzar a ciegas. En 2010, Seeman creó un andador de ADN que sirvió como una línea de ensamblaje a nanoescala para construir diferentes productos. En este sistema, un caminante de ADN de seis brazos con forma de estrella de mar dio un salto mortal a lo largo de una pista de ADN, pasando por tres estaciones de paso de ADN, cada una de las cuales proporcionó un tipo diferente de partícula de oro. Los investigadores podrían cambiar las conformaciones de las estaciones de carga para llevar las partículas de oro al alcance de los robots, lo que les permitiría recogerlas o alejarlas para que el robot simplemente las pasara.

Es análogo. al chasis de un automóvil que baja por una línea de ensamblaje, explicó Seeman. El caminante no podía recoger nada, cualquiera de tres cargas diferentes, dos de tres diferentes, o las tres cargas, dijo un total de 8 productos diferentes.

Y el año pasado, Oxfords Turberfield agregó otra capacidad a la Caja de herramientas de DNA walker: navegar por caminos divergentes. Turberfield y sus colegas crearon un nanomotor de ADN que podría programarse para elegir uno de los cuatro destinos a través de una pista de ADN ramificado. La pista en sí podía programarse para guiar al nanomotor y, en la versión más sofisticada del sistema, la nanomáquina de Turberfield llevaba sus propias instrucciones para determinar la ruta.

A continuación, Turberfield espera que el proceso sea más rápido y sencillo. para que el nanomotor se pueda aprovechar para construir una biomolécula. La idea que perseguíamos es que cuando da un paso, acopla ese paso a una reacción química, explicó. Esto permitiría que un nanomotor de ADN uniera un polímero, tal vez como un método para construir medicamentos con fines médicos, agregó.

Biodetección basada en ADN

La flexibilidad y la simplicidad del ADN también se han aprovechado para crear un biosensor de fácil regeneración. El químico Weihong Tan de la Universidad de Florida se dio cuenta de que el ADN podría usarse para crear un sensor capaz de cambiar fácilmente de su estado encendido a su estado apagado. Como prueba de principio, Tan y su equipo diseñaron interruptores de biosensores uniendo cuentas de plata conjugadas con tinte a hebras de ADN y clavando las hebras en una superficie de oro. En el estado apagado, los interruptores son empujados hacia arriba por hebras de ADN adicionales que se pliegan alrededor de ellos, manteniendo las perlas de plata alejadas de la superficie dorada. Estas hebras de retención adicionales están diseñadas para unirse a la molécula objetivo, en este caso, ATP, de modo que agregar el objetivo al sistema aleja las hebras de soporte de los interruptores de ADN. Esto permite que el interruptor se pliegue, acercando la perla de plata a unos pocos nanómetros de la superficie de oro y creando un punto de acceso para la espectroscopia Raman en el estado de encendido.

Trabajo previo sobre la creación de biosensores basados en la espectroscopia Raman, que mide el cambio en la energía de un rayo láser después de su dispersión por moléculas individuales, creó puntos críticos irreversibles. Pero Tan puede eliminar el ATP y agregar más hebras de soporte para preparar fácilmente su sensor para otra ronda de detección, convirtiéndolo en una tecnología reutilizable.

Aunque su sensor está en sus primeras etapas, Tan prevé diseñar biosensores para aplicaciones médicas como la detección de biomarcadores de cáncer. Mediante el uso de cadenas de detección que se unen directamente a un biomarcador de cáncer específico, los biosensores basados en la estrategia Tans podrían detectar con sensibilidad signos de cáncer sin necesidad de marcarlos previamente con radionúclidos o colorantes fluorescentes, señaló.

Computación con ADN

Otro uso potencial del ADN es el almacenamiento de datos y la computación, y los investigadores han demostrado recientemente la capacidad de las moléculas para almacenar y transmitir información. Investigadores de la Universidad de Harvard incorporaron recientemente una impresionante densidad de información en el ADN, más de 5 petabits (1000 terabits) de datos por milímetro cúbico de ADN, y otros científicos esperan aprovechar la capacidad del ADN para codificar instrucciones para activar y desactivar genes y crear ADN completo. computación basada en el ADN.

Aunque es poco probable que la computación basada en el ADN llegue a ser tan rápida como los chips basados en silicio en nuestras computadoras portátiles y teléfonos inteligentes, el ADN nos permite llevar la computación a otros ámbitos donde la computación basada en el silicio la computación no funcionará, dijo Lu, del MIT, como células vivas.

En su último proyecto, publicado el mes pasado (10 de febrero) en Nature Biotechnology, Lu y sus colegas usaron células de Escherichia coli para diseñar circuitos lógicos basados en células que recuerdan qué funciones han realizado mediante la alteración permanente de las secuencias de ADN. El sistema se basa en recombinasas de ADN que pueden cambiar la dirección de los promotores o terminadores transcripcionales colocados frente a un gen de proteína fluorescente verde (GFP). Voltear un promotor que mira hacia atrás puede activar la expresión GFP, por ejemplo, al igual que invertir un terminador que mira hacia adelante. Por el contrario, invertir un promotor orientado hacia adelante o un terminador orientado hacia atrás puede bloquear la expresión de GFP. Mediante el uso de secuencias diana exclusivas de dos recombinasas de ADN diferentes, Lu pudo controlar qué promotores o terminadores se invertían. Al cambiar el número y la dirección de los promotores y terminadores, así como cambiar las secuencias diana de la recombinasa que flanqueaban cada elemento genético, Lu y su equipo indujeron a las células bacterianas a realizar funciones lógicas básicas, como AND y OR.

Es importante destacar que, debido a que las recombinasas alteran permanentemente la secuencia de ADN de las bacterias, las células recuerdan las funciones lógicas que han completado incluso después de que las entradas hayan pasado hace mucho tiempo y hayan pasado 90 divisiones celulares. Lu ya prevé aplicaciones médicas basadas en un sistema de este tipo. Por ejemplo, especuló que las células bacterianas podrían programarse para señalar la existencia de pequeñas hemorragias intestinales que pueden indicar cáncer intestinal al expresar un tinte en respuesta a las heces con sangre. Una herramienta de diagnóstico de este tipo podría diseñarse en forma de una píldora probiótica, dijo, reemplazando procedimientos más invasivos.

Las aplicaciones basadas en estos estudios aún están a años de llegar a la cabecera del paciente o al mercado comercial, pero los investigadores están optimista. [Es] cada vez más posible construir cosas más sofisticadas a escala nanométrica, dijo Turberfield. Estábamos en etapas muy tempranas, pero estábamos tanteando nuestro camino.

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