nanotecnología de ADN

La nanotecnología del ADN es el diseño y la fabricación de estructuras artificiales de ácidos nucleicos para usos tecnológicos. En este campo, los ácidos nucleicos se utilizan como materiales de ingeniería no biológicos 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 ser utilizado como una herramienta para resolver problemas de ciencia básica enbiología 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 posibles aplicaciones en electrónica y nanomedicina a escala molecular .

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 permitido por sus estrictas reglas de emparejamiento de bases, que hacen que solo porciones de cadenas con secuencias de bases complementarias se unan para formar estructuras de doble hélice fuertes y rígidas . Esto permite el diseño racional de secuencias de bases que se ensamblarán selectivamente para formar estructuras diana complejas con nanoescala controlada con precisión.características. Se utilizan varios métodos de ensamblaje para hacer estas estructuras, incluidas estructuras basadas en mosaicos que se ensamblan a partir de estructuras más pequeñas, estructuras plegables mediante el método de origami de ADN y estructuras reconfigurables dinámicamente mediante métodos de desplazamiento de hebras. El nombre del campo hace referencia específicamente al ADN , pero los mismos principios también se han utilizado con otros tipos de ácidos nucleicos, lo que lleva al uso ocasional del nombre alternativo nanotecnología de ácidos nucleicos .

La nanotecnología a menudo se define como el estudio de materiales y dispositivos con características en una escala inferior a 100 nanómetros . La nanotecnología de 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. ^[4] En la nanotecnología del ADN, los materiales componentes son hebras de ácidos nucleicos como el ADN; estas hebras a menudo son sintéticas y casi siempre se usan 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 simplesreglas de emparejamiento de bases que se entienden 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 cuales el diseño de proteínas es muy difícil, y las nanopartículas , que carecen de la capacidad de ensamblaje específico por sí mismas. ^[5]

La nanotecnología del ADN implica la formación de nanoestructuras diseñadas artificiales a partir de ácidos nucleicos , como este tetraedro de ADN . ^[1] Cada borde del tetraedro es una doble hélice de ADN de 20 pares de bases , y cada vértice es una unión de tres brazos. Las 4 hebras de ADN que forman las 4 caras tetraédricas están codificadas por colores.

Estas cuatro hebras se asocian en una unión de cuatro brazos de ADN porque esta estructura maximiza el número de pares de bases correctos , con A emparejado con T y C emparejado con G. ^{[2] [3]} Vea esta imagen para ver un modelo más realista de la unión de cuatro brazos que muestra su estructura terciaria .

Este complejo supramolecular de doble cruce (DX) consta de cinco cadenas simples de ADN que forman dos dominios de doble hélice , en la parte superior e inferior de esta imagen. Hay dos puntos de cruce donde los hilos se cruzan de un dominio al otro. ^[2]

El montaje de una matriz DX. Izquierda , diagrama esquemático. Cada barra representa un dominio de doble hélice de ADN , con las formas que representan extremos cohesivos complementarios . El complejo DX en la parte superior se combinará con otros complejos DX en la matriz bidimensional que se muestra en la parte inferior. ^[2] A la derecha , una imagen de microscopía de fuerza atómica de la matriz ensamblada. Los mosaicos DX individuales son claramente visibles dentro de la estructura ensamblada. El campo tiene 150  nm de ancho.

A la izquierda , un modelo de un mosaico de ADN utilizado para hacer otra red periódica bidimensional. A la derecha , una micrografía de fuerza atómica de la red ensamblada. ^{[13] [14]}

Un ejemplo de una red bidimensional aperiódica que se ensambla en un patrón fractal. A la izquierda , el fractal de la junta de Sierpinski . A la derecha , matrices de ADN que muestran una representación de la junta de Sierpinski en sus superficies ^[15]

La nanotecnología de ADN dinámico a menudo hace uso de reacciones de desplazamiento de hebras mediadas por puntos de apoyo. En este ejemplo, la hebra roja se une a la región de toehold de una sola hebra en la hebra verde (región 1) y luego, en un proceso de migración de rama a través de la región 2, la hebra azul se desplaza y se libera del complejo. Reacciones como estas se utilizan para reconfigurar o ensamblar dinámicamente nanoestructuras de ácido nucleico. Además, los hilos rojo y azul se pueden utilizar como señales en una puerta lógica molecular .

Los métodos de electroforesis en gel , como este ensayo de formación en un complejo DX, se utilizan para determinar si las estructuras deseadas se están formando correctamente. Cada carril vertical contiene una serie de bandas, donde cada banda es característica de un intermedio de reacción particular .

El grabado en madera Profundidad (en la foto) de MC Escher supuestamente inspiró a Nadrian Seeman a considerar el uso de redes tridimensionales de ADN para orientar moléculas difíciles de cristalizar. Esto condujo al comienzo del campo de la nanotecnología del ADN.