Muchos sistemas autoorganizados en la naturaleza explotan una mezcla sofisticada de procesos deterministas y aleatorios. No hay dos árboles exactamente iguales porque el crecimiento es aleatorio, pero una secoya se puede distinguir fácilmente de una jacarandá ya que las dos especies siguen diferentes programas genéticos.El valor de la aleatoriedad en los organismos biológicos no se comprende completamente, pero se ha planteado la hipótesis de que permite tamaños de genoma más pequeños, porque no se deben codificar todos los detalles. La aleatoriedad también proporciona la variación subyacente a la evolución adaptativa.
A diferencia de la biología, la ingeniería rara vez aprovecha el poder de la aleatoriedad para fabricar estructuras complejas. Ahora, un grupo de científicos de Caltech ha demostrado que la aleatoriedad en el autoensamblaje molecular puede combinarse con reglas deterministas para producir nanoestructuras complejas a partir de ADN.
El trabajo, realizado en el laboratorio del Profesor Asistente de Bioingeniería Lulu Qian, aparece en la edición del 28 de noviembre de la revista Nanotecnología de la naturaleza .
Los seres vivos usan el ADN para almacenar información genética, pero el ADN también se puede usar como un componente químico sólido para la ingeniería molecular. Las cuatro moléculas complementarias que forman el ADN, llamadas nucleótidos, se unen solo de formas específicas: las A se unen con las T, y G se unen con C. En 2006, Paul Rothemund BS '94, profesor investigador de bioingeniería, informática y ciencias matemáticas, y computación y sistemas neuronales en Caltech, inventó una técnica llamada origami de ADN que aprovecha la coincidencia entrehebras de nucleótidos de ADN, que se pliegan en todo, desde obras de arte a nanoescala hasta dispositivos de administración de medicamentos. Las estructuras autoensambladas formadas a través de origami de ADN pueden ser funcionales por sí mismas o pueden usarse como plantillas para organizar otras moléculas funcionales, como los nanotubos de carbono, proteínas, nanopartículas metálicas y colorantes orgánicos, con una capacidad de programación y precisión espacial sin precedentes.
Utilizando el origami de ADN como un bloque de construcción, los investigadores han hecho nanoestructuras de ADN más grandes, como matrices periódicas de mosaicos de origami. Sin embargo, debido a que el bloque de construcción se repite en todas partes, la complejidad de los patrones que se pueden formar en estas estructuras más grandes es bastantelimitado. Los procesos de ensamblaje totalmente deterministas, que controlan el diseño de cada mosaico individual y su posición distinta en la matriz, pueden dar lugar a patrones complejos, pero estos procesos no se amplían bien. Por el contrario, si solo están involucrados procesos aleatorios yLas características globales de la matriz no están controladas por las reglas de diseño, es imposible crear patrones complejos con las propiedades deseadas sin generar simultáneamente una gran fracción de moléculas no deseadas que se desperdician. Hasta el trabajo de Qian y sus colegas, combinando procesos deterministas con procesos aleatorios.nunca se había explorado sistemáticamente para crear nanoestructuras complejas de ADN.
"Estábamos buscando principios de autoensamblaje molecular que abarquen aspectos tanto deterministas como aleatorios", dice Qian. "Desarrollamos un conjunto simple de reglas que permiten que las losetas de ADN se unan aleatoriamente pero solo en patrones controlados específicos".
El enfoque implica diseñar patrones en mosaicos individuales, modular las proporciones de diferentes mosaicos y determinar qué mosaicos pueden unirse durante el autoensamblaje. Esto conduce a características emergentes a gran escala con propiedades estadísticas ajustables, un fenómeno que los autores llaman "trastorno programable "
"Las estructuras que podemos construir tienen aspectos programables al azar", dice Grigory Tikhomirov, un erudito postdoctoral en biología e ingeniería biológica, y autor principal del artículo. "Por ejemplo, podemos hacer estructuras que tengan líneas que aparentemente toman líneasrutas aleatorias, pero podemos asegurarnos de que nunca se crucen y siempre se cierren en bucles ".
Además de los bucles, el equipo eligió otros dos ejemplos, laberintos y árboles, para demostrar que muchas propiedades no triviales de estas estructuras pueden controlarse mediante reglas locales simples. Encontraron estos ejemplos interesantes porque existen muchas estructuras de bucles, laberintos y árboles.en la naturaleza a través de múltiples escalas. Por ejemplo, los pulmones son estructuras arbóreas a escala milímetro a centímetro, y las dendritas neuronales son estructuras arbóreas a escala micrométrica a milimétrica. Las propiedades controladas que mostraron incluyen las reglas de ramificación, las direcciones de crecimiento, la proximidadentre redes adyacentes y la distribución de tamaños.
El grupo se inspiró por primera vez en las fichas clásicas de Truchet, que son fichas cuadradas con dos arcos de ADN simétricos en diagonal en la superficie. Hay dos orientaciones rotacionalmente asimétricas del patrón de arco. Permitiendo una elección aleatoria de las dos orientaciones de fichas en cada unaubicación en la matriz, el patrón continuará a través de mosaicos vecinos, ya sea convirtiéndose en bucles de varios tamaños o saliendo de un borde de la matriz.
Para crear matrices de Truchet a escala molecular, el equipo utilizó la técnica de origami de ADN para plegar el ADN en mosaicos cuadrados y luego diseñó las interacciones entre estos mosaicos para alentarlos a autoensamblarse en grandes conjuntos bidimensionales.
"Debido a que todas las moléculas chocan entre sí mientras flotan en un tubo de ensayo durante el proceso de autoensamblaje, las interacciones deben ser lo suficientemente débiles como para permitir que los mosaicos se reorganicen y eviten quedar atrapados en cualquier configuración no deseada", dice PhilipPetersen, un estudiante graduado en el laboratorio Qian y coautor principal del artículo, dijo: "Por otro lado, las interacciones deben ser lo suficientemente específicas para que las interacciones deseadas siempre sean preferidas a las interacciones espurias no deseadas".
Surgen diferentes tipos de patrones globales cuando los mosaicos se marcan con diferentes patrones locales. Por ejemplo, si cada mosaico orientado al azar lleva una "T" en lugar de dos arcos, el patrón global es un laberinto con ramas y bucles en lugar de solo bucles.Si las reglas de autoensamblaje limitan la posible orientación relativa de los mosaicos "T" vecinos, es posible garantizar que, aparte de una sola "raíz", las ramas en los laberintos nunca se cierren en bucles, produciendo árboles.generalidad de estos principios, el equipo de Qian desarrolló un lenguaje de programación para las inclinaciones de origami de ADN al azar
"Con este lenguaje de programación, el proceso de diseño comienza con una descripción de alto nivel de los mosaicos y matrices, que puede traducirse automáticamente a diagramas de matriz abstractos y simulaciones numéricas, luego pasa al diseño de mosaico de origami de ADN que incluye cómo interactúan los mosaicos conentre sí en sus bordes. Finalmente, diseñamos secuencias de ADN ", dice Qian." Con estas secuencias de ADN, es sencillo para los investigadores ordenar las hebras de ADN, mezclarlas en un tubo de ensayo, esperar a que las moléculas se autoensamblen enlas estructuras diseñadas durante la noche y obtenga imágenes de las estructuras utilizando un microscopio de fuerza atómica ".
El método de trastorno programable del grupo tiene diversas aplicaciones futuras. Por ejemplo, podría usarse para construir entornos de prueba complejos para robots moleculares cada vez más sofisticados: máquinas a nanoescala basadas en ADN que pueden moverse sobre una superficie, recoger odeje las proteínas u otros tipos de moléculas como cargas y tome decisiones sobre la navegación y las acciones.
"Las aplicaciones potenciales son mucho más amplias", agrega Qian. Desde la década de 1990, se han utilizado cadenas unidimensionales aleatorias de polímeros para revolucionar la síntesis química y de materiales, la administración de fármacos y la química de los ácidos nucleicos mediante la creación de amplias bibliotecas combinatorias de moléculas candidatasy luego seleccionando o desarrollando los mejores en el laboratorio. "Nuestro trabajo extiende el mismo principio a las redes de moléculas bidimensionales y ahora crea nuevas oportunidades para fabricar dispositivos moleculares más complejos organizados por nanoestructuras de ADN", dice.
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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