El origami de ADN es el plegado de ADN a nanoescala para crear formas arbitrarias bidimensionales y tridimensionales a nanoescala . La especificidad de las interacciones entre pares de bases complementarios hacen del ADN un material de construcción útil, a través del diseño de sus secuencias de bases. [2] El ADN es un material bien conocido que es adecuado para crear andamios que sostienen otras moléculas en su lugar o para crear estructuras por sí solo.
El origami de ADN fue la historia de portada de Nature el 16 de marzo de 2006. [3] Desde entonces, el origami de ADN ha progresado más allá de una forma de arte y ha encontrado una serie de aplicaciones, desde sistemas de administración de fármacos hasta usos como circuitos en dispositivos plasmónicos; sin embargo, la mayoría de las aplicaciones comerciales permanecen en una fase de prueba o concepto. [4]
Descripción general
La idea de utilizar ADN como material de construcción fue introducida por primera vez a principios de la década de 1980 por Nadrian Seeman . [5] El método actual de origami de ADN fue desarrollado por Paul Rothemund en el Instituto de Tecnología de California . [6] El proceso implica el plegado de una sola hebra larga de ADN viral (típicamente el ADN genómico de 7.249 pb del bacteriófago M13 ) con la ayuda de múltiples hebras "básicas" más pequeñas. Estas hebras más cortas se unen a las más largas en varios lugares, lo que da como resultado la formación de una forma bidimensional o tridimensional predefinida. [7] Los ejemplos incluyen una carita sonriente y un mapa burdo de China y América, junto con muchas estructuras tridimensionales como cubos. [8]
Para producir una forma deseada, las imágenes se dibujan con un relleno de trama de una sola molécula de ADN larga . Este diseño luego se introduce en un programa de computadora que calcula la ubicación de las hebras de grapas individuales. Cada grapa se une a una región específica de la plantilla de ADN y, por lo tanto, debido al emparejamiento de bases de Watson-Crick , se conocen y se muestran las secuencias necesarias de todas las hebras de la grapa. El ADN se mezcla, luego se calienta y se enfría. A medida que el ADN se enfría, las distintas grapas tiran de la hebra larga a la forma deseada. Los diseños se pueden observar directamente a través de varios métodos, incluida la microscopía electrónica , la microscopía de fuerza atómica o la microscopía de fluorescencia cuando el ADN se acopla a materiales fluorescentes. [6]
Los métodos de autoensamblaje de abajo hacia arriba se consideran alternativas prometedoras que ofrecen síntesis barata y paralela de nanoestructuras en condiciones relativamente suaves.
Desde la creación de este método, se desarrolló un software para ayudar al proceso utilizando software CAD. Esto permite a los investigadores usar una computadora para determinar la forma de crear las grapas correctas necesarias para formar una determinada forma. Uno de esos programas, llamado caDNAno, es un software de código abierto para crear tales estructuras a partir del ADN. El uso de software no solo ha aumentado la facilidad del proceso, sino que también ha reducido drásticamente los errores cometidos por los cálculos manuales. [9] [5]
Aplicaciones
Se han sugerido muchas aplicaciones potenciales en la literatura, incluida la inmovilización de enzimas, los sistemas de administración de fármacos y el autoensamblaje nanotecnológico de materiales. Aunque el ADN no es la opción natural para construir estructuras activas para aplicaciones nanorobóticas, debido a su falta de versatilidad estructural y catalítica, varios artículos han examinado la posibilidad de caminantes moleculares en origami e interruptores para computación algorítmica. [8] [10] Los siguientes párrafos enumeran algunas de las aplicaciones notificadas realizadas en los laboratorios con potencial clínico.
Investigadores del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard informaron sobre los recipientes de suministro de fármacos autoensamblados y autodestructivos utilizando el origami de ADN en las pruebas de laboratorio. El nanorobot de ADN que crearon es un tubo de ADN abierto con una bisagra en un lado que se puede cerrar. El tubo de ADN lleno de fármaco se mantiene cerrado por un aptámero de ADN , configurado para identificar y buscar ciertas proteínas relacionadas con la enfermedad. Una vez que los nanobots de origami llegan a las células infectadas, los aptámeros se separan y liberan el fármaco. El primer modelo de enfermedad que utilizaron los investigadores fue la leucemia y el linfoma . [11]
Investigadores del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología en Beijing y la Universidad Estatal de Arizona informaron sobre un vehículo de entrega de origami de ADN para la doxorrubicina , un fármaco anticanceroso muy conocido. El fármaco se unió de forma no covalente a nanoestructuras de origami de ADN mediante intercalación y se logró una alta carga de fármaco. El complejo ADN-Doxorrubicina fue absorbido por células cancerosas de adenocarcinoma de mama humano ( MCF-7 ) mediante internalización celular con una eficacia mucho mayor que la doxorrubicina en forma libre. La mejora de la actividad destructora de células se observó no solo en MCF-7 regular , lo que es más importante, también en células resistentes a la doxorrubicina. Los científicos teorizaron que el origami de ADN cargado de doxorrubicina inhibe la acidificación lisosomal , lo que resulta en la redistribución celular del fármaco a los sitios de acción, aumentando así la citotoxicidad contra las células tumorales. [12] [13]
En un estudio realizado por un grupo de científicos del centro iNANO y el Centro CDNA de la Universidad de Aarhus , los investigadores pudieron construir una pequeña caja de ADN 3D de Origami multi-conmutable. La nanopartícula propuesta se caracterizó por AFM , TEM y 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". [14]
Un equipo de bioingenieros del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard y del Instituto de Nanotecnología y Materiales Avanzados de la Universidad de Bar-Ilan informó que los nanorobots hechos de origami de ADN demostraron capacidades informáticas y completaron tareas preprogramadas dentro del organismo vivo . Como prueba de concepto, el equipo inyectó varios tipos de nanobots (el ADN rizado que encierra moléculas con marcadores fluorescentes ) en cucarachas vivas. Al rastrear los marcadores dentro de las cucarachas, el equipo encontró la precisión de la entrega de las moléculas (liberadas por el ADN desenrollado) en las células objetivo, las interacciones entre los nanobots y el control son equivalentes a un sistema informático. La complejidad de las operaciones lógicas, las decisiones y acciones, aumenta con el aumento del número de nanobots. El equipo estimó que la potencia informática de la cucaracha se puede escalar hasta la de una computadora de 8 bits. [15] [16]
El ADN se pliega en un octaedro y se recubre con una sola bicapa de fosfolípido , imitando la envoltura de una partícula de virus . Las nanopartículas de ADN, cada una del tamaño de un virión, pueden permanecer en circulación durante horas después de inyectarse en ratones. También provoca una respuesta inmune mucho más baja que las partículas sin recubrimiento. Presenta un uso potencial en la administración de fármacos, informado por investigadores del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard. [17] [18]
Enfoques similares
También ha surgido la idea de utilizar el diseño de proteínas para lograr los mismos objetivos que el origami de ADN. Investigadores del Instituto Nacional de Química de Eslovenia están trabajando en el uso de un diseño racional de plegamiento de proteínas para crear estructuras muy parecidas a las que se ven con el origami de ADN. El enfoque principal de la investigación actual en el diseño de plegamiento de proteínas se encuentra en el campo de la administración de fármacos, utilizando anticuerpos unidos a proteínas como una forma de crear un vehículo dirigido. [19] [20]
Ver también
- Origami de ARN
- Nanotecnología de ADN
- Autoensamblaje molecular
- Plegable en casa
Referencias
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Otras lecturas
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