El origami de ARN es el plegamiento a nanoescala del ARN , lo que permite que el ARN cree formas particulares para organizar estas moléculas. [1] Es un método nuevo que fue desarrollado por investigadores de la Universidad de Aarhus y el Instituto de Tecnología de California . [2] El origami de ARN es sintetizado por enzimas que doblan el ARN en formas particulares. El plegamiento del ARN ocurre en células vivas en condiciones naturales. El origami de ARN se representa como un gen de ADN , que dentro de las células se puede transcribir en ARN mediante la ARN polimerasa.. Existen muchos algoritmos informáticos para ayudar con el plegamiento del ARN, pero ninguno puede predecir completamente el plegamiento del ARN de una secuencia singular. [2]
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Descripción general
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En la nanotecnología de ácidos nucleicos, los ácidos nucleicos artificiales están diseñados para formar componentes moleculares que pueden autoensamblarse en estructuras estables para su uso que van desde la administración de fármacos dirigida a biomateriales programables. [3] La nanotecnología de ADN utiliza motivos de ADN para construir formas y arreglos de objetivos. Se ha utilizado en una variedad de situaciones, incluidas nanorobótica, matrices algorítmicas y aplicaciones de sensores. El futuro de la nanotecnología del ADN está lleno de posibilidades de aplicaciones. [4]
El éxito de la nanotecnología de ADN ha permitido a los diseñadores desarrollar la nanotecnología de ARN como una disciplina en crecimiento. La nanotecnología de ARN combina el diseño simplista y la característica de manipulación del ADN, con la flexibilidad adicional en la estructura y la diversidad en la función similar a la de las proteínas. [5] La versatilidad del ARN en estructura y función, los atributos favorables in vivo y el autoensamblaje de abajo hacia arriba es una vía ideal para desarrollar la administración de biomateriales y nanopartículas de fármacos. Se desarrollaron varias técnicas para construir estas nanopartículas de ARN, incluido el andamio cúbico de ARN, [6] ensamblaje con plantilla y sin plantilla, y origami de ARN.
El primer trabajo en origami de ARN apareció en Science , publicado por Ebbe S. Andersen de la Universidad de Aarhus. [7] Investigadores de la Universidad de Aarhus utilizaron varios modelos 3D y software de computadora para diseñar origami de ARN individual. Una vez codificado como un gen de ADN sintético, la adición de ARN polimerasa resultó en la formación de origami de ARN. La observación de ARN se realizó principalmente a través de microscopía de fuerza atómica , una técnica que permite a los investigadores observar las moléculas mil veces más de cerca de lo que normalmente sería posible con un microscopio óptico convencional. Fueron capaces de formar formas de panal, pero también son posibles otras formas determinadas.
Cody Geary, un erudito en el campo del origami de ARN, describió la singularidad del método del origami de ARN. Afirmó que su receta de plegado está codificada en la propia molécula y determinada por su secuencia. La secuencia le da al origami de ARN tanto su forma final como los movimientos de la estructura a medida que se pliega. El principal desafío asociado con el origami de ARN proviene del hecho de que el ARN se pliega por sí solo y, por lo tanto, puede enredarse fácilmente. [2]
Diseño asistido por ordenador
El diseño asistido por computadora de la estructura de origami de ARN requiere tres procesos principales; crear el modelo 3D, escribir la estructura 2D y diseñar la secuencia. Primero, se construye un modelo 3D utilizando motivos terciarios de bases de datos existentes. Esto es necesario para garantizar que la estructura creada tenga una geometría y deformación factibles. El siguiente proceso es crear la estructura 2D que describe la ruta de la hebra y los pares de bases del modelo 3D. Este plano 2D introduce restricciones de secuencia, creando motivos primarios, secundarios y terciarios. El último paso es diseñar secuencias compatibles con la estructura diseñada. Los algoritmos de diseño se pueden utilizar para crear secuencias que se pueden plegar en varias estructuras. [8]
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El doble crossover (DX)
Para producir la forma deseada, el método de origami de ARN utiliza cruces dobles (DX) para organizar las hélices de ARN en paralelo entre sí para formar un bloque de construcción. Si bien el origami de ADN requiere la construcción de moléculas de ADN a partir de múltiples hebras, los investigadores pudieron idear un método para hacer moléculas DX a partir de una sola hebra para el ARN. Esto se hizo agregando motivos de horquillas a los bordes y complejos de bucles de besos en las hélices internas. La adición de más moléculas de ADN una encima de la otra crea una unión conocida como unión en cola de milano. Esta costura en cola de milano tiene pares de bases que se cruzan entre uniones adyacentes; por lo tanto, la costura estructural a lo largo de la unión se vuelve específica de la secuencia. Un aspecto importante de estas interacciones de plegado es su plegado; el orden en que se forman las interacciones puede potencialmente crear una situación en la que una interacción bloquea a otra, creando un nudo. Debido a que las interacciones de bucle de besos y las interacciones en cola de milano son de media vuelta o más cortas, no crean estos problemas topológicos. [8]
Comparación con el origami de ADN
Las nanoestructuras de ARN y ADN se utilizan para la organización y coordinación de importantes procesos moleculares. Sin embargo, existen varias diferencias claras entre la estructura fundamental y las aplicaciones entre los dos. Aunque está inspirado en las técnicas de origami de ADN establecidas por Paul Rothemund , [9] el proceso para el origami de ARN es muy diferente. El origami de ARN es un proceso mucho más nuevo que el origami de ADN; El origami de ADN se ha estudiado durante aproximadamente una década, mientras que el estudio del origami de ARN solo ha comenzado recientemente.
En contraste con el origami de ADN, que implica sintetizar químicamente las hebras de ADN y disponer las hebras para formar cualquier forma deseada con la ayuda de "hebras básicas", el origami de ARN está hecho por enzimas y posteriormente se pliega en formas pre-renderizadas. El ARN puede plegarse en formas únicas en estructuras complejas debido a una serie de motivos estructurales secundarios, como motivos conservados y elementos estructurales cortos. Un determinante importante para la topología del ARN es la interacción de la estructura secundaria, que incluye motivos como pseudonudos y bucles de besos, hélices adyacentes apiladas unas sobre otras, bucles en forma de horquilla con contenido abultado y pilas coaxiales. Esto es en gran parte el resultado de cuatro nucleótidos diferentes: adenina (A), citosina (C), guanina (G) y uracilo (U), y la capacidad de formar pares de bases no canónicos .
También existen interacciones terciarias de ARN más complejas y de mayor alcance. El ADN no puede formar estos motivos terciarios y, por lo tanto, no puede igualar la capacidad funcional del ARN para realizar tareas más versátiles. Las moléculas de ARN que se pliegan correctamente pueden servir como enzimas, debido al posicionamiento de los iones metálicos en sus sitios activos; esto le da a las moléculas una diversa gama de capacidades catalíticas. [10] Debido a esta relación con las enzimas, las estructuras de ARN pueden potencialmente crecer dentro de las células vivas y usarse para organizar las enzimas celulares en distintos grupos.
Además, la ruptura molecular del ADN origami no se incorpora fácilmente al material genético de un organismo. Sin embargo, el origami de ARN puede escribirse directamente como un gen de ADN y transcribirse utilizando la ARN polimerasa. Por lo tanto, mientras que el origami de ADN requiere un cultivo costoso fuera de una célula, el origami de ARN se puede producir en cantidades económicas y masivas directamente dentro de las células simplemente mediante el crecimiento de bacterias. [11] La viabilidad y rentabilidad de la fabricación de ARN en células vivas y combinada con la funcionalidad adicional de la estructura del ARN es prometedora para el desarrollo del origami de ARN.
Aplicaciones
El origami de ARN es un concepto nuevo y tiene un gran potencial para aplicaciones en nanomedicina y biología sintética. El método fue desarrollado para permitir nuevas creaciones de grandes nanoestructuras de ARN que crean andamios definidos para combinar funcionalidades basadas en ARN. Debido a la infancia del origami de ARN, muchas de sus aplicaciones potenciales aún están en proceso de descubrimiento. Sus estructuras pueden proporcionar una base estable para permitir la funcionalidad de los componentes de ARN. Estas estructuras incluyen riboswitches , ribozimas , sitios de interacción y aptámeros . Las estructuras de aptámeros permiten la unión de moléculas pequeñas, lo que brinda posibilidades para la construcción de futuros nanodispositivos basados en ARN. El origami de ARN es más útil en áreas como el reconocimiento celular y la unión para el diagnóstico. Además, se han estudiado la liberación dirigida y el paso de la barrera hematoencefálica . [6] Quizás la aplicación futura más importante para el origami de ARN es la construcción de andamios para organizar otras proteínas microscópicas y permitirles trabajar entre sí. [8]
Referencias
- ^ "Programado para plegarse: ARN Origami | Caltech" . El Instituto de Tecnología de California . Consultado el 9 de octubre de 2017 .
- ^ a b c "Los científicos doblan Origami de ARN de una sola hebra - Science Newsline" . www.sciencenewsline.com . Consultado el 20 de noviembre de 2017 .
- ^ Nanotecnología de ácidos nucleicos | SpringerLink (PDF) . Ácidos nucleicos y biología molecular. 29 . 2014. doi : 10.1007 / 978-3-642-38815-6 . ISBN 978-3-642-38814-9. S2CID 44920215 .
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( ayuda ) - ^ "Los científicos doblan el origami de ARN de una sola hebra" . ScienceDaily . Consultado el 9 de octubre de 2017 .