Las estructuras de origami de ADN más grandes hasta la fecha

Animación conceptual de un proceso de ensamblaje fractal para crear la Mona Lisa a partir de ADN. CALTECHDNA es un poderoso medio de construcción porque sus secuencias se pueden diseñar para permitir un control preciso del autoensamblaje. En una técnica de fabricación, conocida como origami de ADN, una hebra de andamio única y larga se combina con hebras básicas complementarias para formar una nanoestructura.

Los investigadores han pasado la última década trabajando para hacer que el origami de ADN sea más grande y más económico. Ahora, cuatro estudios publicados hoy (6 de diciembre) en Nature representan un importante paso adelante. Tres equipos de investigación han utilizado varias estrategias para ensamblar estructuras de ADN más grandes que cualquiera que se haya construido antes, y han desarrollado un método que permite la producción en masa de origami de ADN a un costo mucho menor.

Ver “Construir Estructuras a nanoescala con ADN”

Imágenes renderizadas de microscopía de fuerza atómica de la Mona Lisa, una bacteria y un gallo autoensamblados a partir de mosaicos de origami de ADNGRIGORY TIKHOMIROV, PHILIP…

Lulu Qian , un bioingeniero de Caltech, y sus colegas crearon una técnica inspirada en los fractales, un principio matemático en el que las mismas reglas se repiten a diferentes escalas, como en las ramas de los vasos sanguíneos o los cristales en los brazos de un copo de nieve. Para construir nanoestructuras de ADN muy complejas a partir de un pequeño conjunto de hebras de ADN únicas, tuvimos que dividir el proceso de ensamblaje en varios pasos más simples. En cada paso, varias estructuras más pequeñas se autoensamblan en tubos de ensayo separados, y luego los productos se combinan para autoensamblarse en estructuras más grandes, explica Qian en un correo electrónico a The Scientist. Su equipo desarrolló un software en línea que permitirá a otros grupos utilizar la técnica.

Micrografías electrónicas de transmisión del producto de ensamblaje intermedio (izquierda), que refleja una simetría quíntuple y un dodecaedro completamente ensamblado (derecha) . La barra de escala es de 50 nanómetros.NATURE, 2017, WAGENBAUER ET AL.

El grupo del biofísico Hendrik Dietz de la Universidad Técnica de Munich combinó el origami de ADN con estrategias paso a paso no muy diferentes a las que se usan para construir moléculas máquinas en la naturaleza, como la simetría y múltiples niveles de jerarquía de montaje, dice. Estos métodos permitieron a su equipo dar este salto de la escala megadalton, donde antes estaba el origami de ADN, a la escala gigadalton. Y en otro artículo, su equipo usó bacteriófagos para producir en masa ADN monocatenario autoescindible que luego se ensambló en cantidades de nanoestructuras lo suficientemente grandes como para ser visibles a simple vista.

Usando combinaciones de decenas de miles de ladrillos, el equipo de Yin generó una estructura en forma de cubo que podría modificarse para crear una cavidad de casi cualquier forma. INSTITUTO WYSS PARA INGENIERÍA DE INSPIRACIÓN BIOLÓGICA

Peng Yin, biólogo de sistemas en el Instituto Wyss de la Escuela de Medicina de Harvard for Biologically Inspired Engineering, y sus colegas utilizaron una estrategia alternativa. En lugar del origami de ADN tradicional con una cadena de andamio larga y cadenas de grapas más cortas, los investigadores construyeron bloques de ADN que contenían 52 nucleótidos cada uno a partir de cadenas cortas de ADN. En comparación con el origami de andamio tradicional, los bloques de ADN tienen una serie de ventajas, dice Yin. Primero, tiene una arquitectura modular. Eso significa que si desea diseñar diferentes formas, solo necesita seleccionar de una biblioteca maestra de bloques de ADN existentes. Y, dado que ya no necesita lidiar con un andamio largo, al menos en principio debería ser más escalable.

Una representación de artistas de 10,000 bloques de ADN que rodean una cavidad con forma de oso de peluche.WYSS INSTITUTE FOR INGENIERÍA DE INSPIRACIÓN BIOLÓGICA

Todos los investigadores esperan que el aumento del tamaño de la estructura y la maximización de la producción de ácido nucleico conduzcan a la capacidad de crear y probar estructuras moleculares para todo tipo de aplicaciones. Dietz dice que su grupo está particularmente interesado en la terapia molecular. Podría presentar proteínas virales en la superficie [de las nanoestructuras] como antígenos, y luego obtendría una respuesta inmune sin tener que exponer un organismo a un virus real. Sería completamente sintético, explica. Hay potencial para muchas aplicaciones interesantes en la salud.

Imagen representativa de un dodecaedro autoensamblado, compuesto por bloques de origami de ADN en forma de V, rectangulares y triangulares. La estructura tiene un radio de aproximadamente 220 nanómetros y tiene un peso molecular de aproximadamente 1,2 gigadaltones.NATURE, 2017, WAGENBAUER ET AL.

LL Ong et al., Autoensamblaje programable de nanoestructuras tridimensionales a partir de 10 000 componentes únicos, Nature, doi:10.1038/nature24648, 2017.

F. Praetorius et al., Producción biotecnológica en masa de origami de ADN, Nature, doi:10.1038/nature24648, 2017.

G. Tikhomirov et al., Montaje fractal de matrices de origami de ADN a escala micrométrica con patrones arbitrarios, Nature, doi:10.1038/nature24655, 2017.

KF Wagenbauer et al., Conjuntos de ADN programables por forma a escala de Gigadalton, Nature, doi:10.1038/nature24651, 2017.

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