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Una caja de seguridad construida a partir de ADN
Utilizando nada más que ADN, investigadores en Dinamarca han construido una pequeña caja con una tapa que puede cerrarse con llave o, con la ayuda de un juego de llaves de ADN, abrirse con bisagras. Mientras que otros grupos han experimentado con el uso de origami de ADN para construir objetos tridimensionales, la nueva caja, descrita en la edición de esta semana de Naturaleza , se distingue por sus lados macizos y partes móviles.
Terrones de azúcar desoxirribosa: Debido a que a las regiones complementarias de ADN les gusta emparejarse, los investigadores pudieron diseñar una cadena larga de ADN que, combinada con muchas grapas de ADN diminutas, se ensamblaría automáticamente en una caja de tamaño nanométrico. Esta técnica se conoce como origami de ADN. Aquí, se obtuvieron imágenes de las cajas usando tomografía crioelectrónica para confirmar sus estructuras en forma de cubos y su interior hueco.
Es una estructura molecular bastante hermosa, dice John Reif , un distinguido profesor de informática en la Universidad de Duke, que no participó en la investigación. Es la primera vez que una nanoestructura como esa tiene una tapa programable y controlable.
Por ahora, la caja sirve como prueba del principio de que el origami de ADN se puede adaptar para hacer estructuras tridimensionales elaboradas, dice Jørgen Kjems , biólogo molecular del Centro de Nanotecnología del ADN de la Universidad de Aarhus, quien dirigió la investigación. Pero en el futuro, cree que el contenedor de tamaño nanométrico podría adaptarse para una amplia gama de aplicaciones, desde el vehículo de administración de medicamentos hasta la puerta lógica.
El ADN es un material de construcción ideal para nanoestructuras. Es fácil de producir a granel: Kjems y su equipo secuestraron un virus para fabricar copias de la secuencia que diseñaron. Y se pliega de forma sencilla y predecible de acuerdo con su secuencia. Para diseñar la caja, el equipo de Aarhus desarrolló un programa de computadora para generar una secuencia continua de ADN monocatenario que, junto con fragmentos de ADN más pequeños que actúan como grapas, se autoensamblarían en la forma deseada.
La secuencia se diseñó con muchas regiones complementarias de modo que se doblara automáticamente en seis hojas aproximadamente cuadradas en forma de acordeón, los lados de la caja, en función de la tendencia natural del ADN a emparejarse en cadenas dobles. Las grapas de ADN, también impulsadas por el emparejamiento de secuencias complementarias, cosieron los bordes de las hojas para formar un cubo hueco con una tapa con bisagras.
Para que la tapa se pudiera cerrar con llave, Kjems y sus colegas crearon dos pequeños pestillos de ADN con extremos pegajosos. En circunstancias normales, los pestillos se adhieren a la caja y la mantienen cerrada. Pero cuando se agregan las dos llaves de ADN correspondientes, los pestillos se unen a ellas, lo que permite que la tapa se abra. Un par de moléculas de tinte, una fijada al borde de la caja y otra a la tapa, brillan en rojo cuando están juntas y verdes cuando están muy separadas, lo que proporciona una manera fácil de detectar si una caja está cerrada o abierta.
Piensa fuera de la caja: Las nanocajas, modeladas aquí en gris, podrían algún día transportar drogas a destinos específicos en el cuerpo o servir como puertas lógicas en una computadora basada en ADN. La tapa de cada caja normalmente se cierra con dos pares de fragmentos de ADN complementarios (azul y naranja). Pero cuando se agregan las claves de ADN correspondientes (también azul y naranja) a la mezcla, interfieren con los pestillos y permiten que las tapas se abran. Los marcadores de tinte fluorescente se iluminan en rojo cuando una caja está cerrada y en verde cuando está abierta.
Con estructuras tridimensionales como esta, el verdadero desafío no es diseñar el objeto, sino demostrar que se formó con éxito, dice Paul Rothemund , científico informático del Instituto de Tecnología de California, que desarrolló una técnica sencilla para hacer estructuras de ADN. Los investigadores utilizaron varios métodos de imágenes diferentes para asegurarse de que las cajas se ensamblaran según lo planeado. Hicieron un trabajo muy convincente al demostrar que hicieron lo que pensaban que hicieron, lo cual es realmente importante, dice Rothemund. Y ahora son libres de intentar desarrollarlo y lograr que realmente haga algo.
Kjems tiene varias ideas sobre lo que podrían hacer las cajas. Una posibilidad es cargarlos con medicamentos y programar las tapas para que se abran en respuesta a alguna señal biológica dentro del cuerpo, la presencia de un virus o un gen del cáncer, por ejemplo, liberando así su carga terapéutica.
Hay una forma en la que son más interesantes que casi cualquier otro esquema de nanoencapsulación que se pueda imaginar para ese propósito, porque tienen estas tapas infinitamente programables, dice Rothemund. Eso es algo que ningún otro tipo de cápsula de administración de nanofármacos puede ofrecer.
Sin embargo, los usos terapéuticos aún están muy lejos. Si bien las cajas son teóricamente lo suficientemente sólidas para evitar que se filtren moléculas grandes y lo suficientemente espaciosas como para encerrar un ribosoma o un virus pequeño, los investigadores aún no han intentado poner nada dentro de ellas. Y hasta ahora, las cajas solo funcionan dentro de un tubo de ensayo. A diferencia de otros vehículos de nano-entrega, todavía no hay evidencia de la seguridad o eficacia de los dispositivos basados en ADN en los sistemas vivos.
Pero las cajas de seguridad no necesitan tener una carga útil para resultar útiles. Kjems también prevé convertirlos en componentes electrónicos. Debido a que tienen dos llaves distintas, las cajas actúan como puertas Y, abriéndose (y brillando en verde) solo cuando ambas llaves están presentes. Con algunos ajustes sencillos, podrían servir como NO puertas o puertas OR también. En principio, dice Kjems, podría construir una computadora de ADN usando estas cajas.