Un equipo internacional de científicos desarrolló recientemente un nuevo nanomotor hecho de ADN. Está impulsado por un ingenioso mecanismo que permite un movimiento pulsante. Ahora los investigadores planean equiparlo con un acoplador y utilizarlo como controlador para nanomáquinas complejas. Los resultados de su investigación fueron publicados en la revista Nature Nanotechnology el 19 de octubre.
Petr Šulc, profesor asistente de la Facultad de Ciencias Moleculares de la Universidad Estatal de Arizona y del Centro de Biodiseño para Diseño Molecular y Biomimética, colaboró en el proyecto con el profesor Famulok (líder del proyecto) de la Universidad de Bonn, Alemania, y el profesor Walter de la Universidad de Michigan.
Šulc utilizó las herramientas de modelado informático de su grupo de investigación para comprender mejor el diseño y el funcionamiento de este nanomotor de ballesta. La estructura consta de casi 14.000 nucleótidos, que forman los componentes básicos del ADN.
Šulc explica: "Sin oxDNA, el modelo informático utilizado por nuestro grupo para diseñar nanoestructuras de ADN, habría sido imposible simular el movimiento de nanoestructuras tan grandes. Esta es la primera vez que se ha diseñado con éxito un motor de nanotecnología de ADN impulsado químicamente. Estamos satisfechos de que nuestro método de investigación haya contribuido a su estudio y esperamos fabricar nanodispositivos más complejos en el futuro".
Este nuevo motor es similar a un entrenador de agarre manual y puede mejorar la fuerza de agarre con un uso regular. Sin embargo, este motor es aproximadamente un millón de veces más pequeño. Los dos mangos están conectados en una estructura en forma de V mediante resortes.
En un entrenador de agarre manual, los mangos se aprietan bajo la resistencia de un resorte. Una vez que lo sueltas, un resorte empuja el mango hacia su lugar. "Nuestro motor utiliza un principio muy similar", afirmó el profesor Michael Famulok del Instituto de Ciencias Médicas y de la Vida (LIMES) de la Universidad de Bonn. "Pero los mangos no se presionan entre sí, sino que se juntan".
Los investigadores han reutilizado un mecanismo sin el cual no habría plantas ni animales en la Tierra. Cada celda está equipada con una biblioteca. Contiene los planos de los distintos tipos de proteínas que cada célula necesita para realizar sus funciones. Si una célula quiere producir un determinado tipo de proteína, hace una copia del modelo correspondiente. Esta transcripción es producida por una enzima llamada ARN polimerasa.
El modelo original consta de largas hebras de ADN. La ARN polimerasa se mueve a lo largo de estas hebras, copiando letra por letra la información almacenada. "Colocamos la ARN polimerasa en un mango de la nanomáquina", explica Famulok, que también es miembro de las áreas de investigación interdisciplinarias "Vida y Salud" y "Materia" de la Universidad de Bonn. "Entre los dos mangos también tenemos una cadena de ADN estrechamente unida. La polimerasa agarra esta cadena y la copia. Se arrastra a lo largo de la cadena, y las partes que no se copian se vuelven cada vez más pequeñas. Esto tira poco a poco del segundo mango hacia el primero, comprimiendo al mismo tiempo el resorte".
La cadena de ADN entre los mangos contiene una secuencia especial de letras poco antes del final. Esta llamada secuencia de terminación indica a la polimerasa que suelte el ADN. El resorte ahora puede relajarse nuevamente y separar las manijas. De esta manera, la secuencia inicial de la cadena se acerca a la polimerasa y el replicador molecular puede iniciar un nuevo proceso de transcripción: y así sucesivamente. "De esta manera, nuestros nanomotores pueden realizar acciones pulsantes", explica Mathias Centola, del grupo de investigación dirigido por el profesor Famulok.
Como otros tipos de motores, este tipo de motor requiere energía. La energía la proporciona la "sopa de letras" de transcripciones producidas por las polimerasas. Cada letra (término técnico: nucleótido) tiene una pequeña cola que consta de tres grupos fosfato: un trifosfato. Para agregar una nueva letra a una oración existente, la polimerasa debe eliminarle dos grupos fosfato. Esto libera energía, que se utiliza para conectar las letras. "Por eso nuestro motor utiliza trifosfatos de nucleótidos como combustible. Sólo puede seguir funcionando cuando hay cantidades suficientes de trifosfatos de nucleótidos".
Los investigadores pudieron demostrar que el motor se podía combinar fácilmente con otras estructuras. Esto permitiría, por ejemplo, desplazarse por las superficies, de forma similar a como un gusano se arrastra a lo largo de una rama con su forma característica. "También planeamos producir un embrague para que sólo podamos utilizar la potencia del motor en determinados momentos y dejarlo en ralentí en otros momentos", explica Famlock. A largo plazo, los motores podrían convertirse en el núcleo de nanomáquinas complejas. Sin embargo, todavía nos queda mucho trabajo por hacer antes de llegar a esta etapa. "
El laboratorio de Šulc es un laboratorio altamente interdisciplinario que aplica física estadística y métodos de modelado computacional a una amplia gama de problemas en los campos de la química, la biología y la nanotecnología. El grupo de investigación desarrolló nuevos modelos multiescala para estudiar las interacciones entre biomoléculas, en particular en el diseño y modelado de nanoestructuras y dispositivos de ADN y ARN.
"Así como las complejas máquinas que utilizamos todos los días (los chips de los aviones, los automóviles y los productos electrónicos) requieren sofisticadas herramientas de diseño asistido por computadora para garantizar que funcionen según lo previsto, el campo de la ciencia molecular necesita desesperadamente acceso a tales métodos". La profesora Tijana Rajh, decana de la Facultad de Ciencias Moleculares, afirmó: "Petr Šulc y su grupo de investigación están llevando a cabo investigaciones científicas moleculares altamente innovadoras, utilizando métodos de la química y la física computacionales para estudiar moléculas de ADN y ARN en el contexto de la biología y la nanotecnología. Nuestros jóvenes profesores de la Facultad de Ciencias Moleculares han logrado resultados extraordinarios, y el profesor Šulc es un buen ejemplo de ello".
El ADN y el ARN son las moléculas básicas de la vida. Cumplen una variedad de funciones, incluido el almacenamiento y la transferencia de información en células vivas. También tienen amplias perspectivas de aplicación en el campo de la nanotecnología, donde se pueden utilizar hebras de ADN y ARN diseñadas para ensamblar estructuras y dispositivos a nanoescala. Es un poco como jugar con Lego, excepto que cada ladrillo de Lego tiene sólo unos pocos nanómetros (millonésimas de milímetro) de tamaño. En lugar de colocar cada ladrillo donde se supone que debe ir, los pones en una caja y los sacudes hasta que solo sale la estructura deseada.
"En este ámbito hay muchas aplicaciones prometedoras, como el diagnóstico, la terapéutica, la robótica molecular y la construcción de nuevos materiales", afirmó Šulc. "Mi laboratorio desarrolló el software para diseñar estos componentes básicos y trabajamos estrechamente con grupos experimentales de la Universidad de Arizona y otras universidades de Estados Unidos y Europa. A medida que el campo continúa avanzando e implementamos nuevos diseños avanzados y los ejecutamos con éxito en la nanoescala, es emocionante ver que nuestros métodos se utilizan para diseñar y caracterizar nanoestructuras cada vez más complejas".