Un equipo de ingenieros ha desarrollado una tecnología que permite la identificación precisa de las moléculas formadas a partir del ADN plegado no solo en una ubicación específica sino también en una dirección específica. Como prueba de la validez del concepto, los investigadores crearon esta flor, que consta de más de 3.000 dispositivos a nanoescala en forma de luna brillante. Cada uno de los 12 pétalos apunta en una dirección diferente alrededor del centro de la flor, y dentro de cada pétalo, alrededor de 250 formas de luna están alineadas con la dirección del pétalo. Dado que cada luna solo se ilumina cuando choca con la luz polarizada que coincide con su dirección, el resultado final es una flor cuyos pétalos se iluminan en secuencia mientras rotan la polarización de la luz que los ilumina. Crédito: Instituto de Tecnología de California
Los chips de computadora y otros dispositivos electrónicos en miniatura son omnipresentes en nuestra vida diaria, en parte porque pueden producirse en masa mediante la litografía, un método que implica la impresión de componentes en una superficie plana.
Agregar componentes a nanoescala, como moléculas biológicas, a estos dispositivos podría desencadenar nuevos tipos de chips que integran biosensores moleculares con óptica y electrónica. Esto puede ayudar en aplicaciones que van desde la secuenciación de ADN hasta la medición de concentraciones de miles de proteínas simultáneamente.
Sin embargo, puede resultar difícil producir estos dispositivos en masa. Un inconveniente ha sido un método fiable para aplicar de forma precisa e independiente una gran cantidad de nanocomposites a la superficie.
Ahora, un equipo de ingenieros, incluido uno de la Universidad de Washington, ha desarrollado una tecnología que permite la colocación precisa de moléculas formadas a partir de ADN plegado no solo en una ubicación específica sino también en una dirección específica. El equipo publicó este proyecto de prueba de concepto el 19 de febrero en la revista Science.
Anteriormente, las moléculas de ADN plegadas, que parecen triángulos rectángulos, se atascaban constantemente en las direcciones equivocadas, o se pegaban múltiples copias de las formas del ADN al mismo parche de superficie. Después de crear simulaciones por computadora y usar técnicas matemáticas, definimos la forma de una ‘pequeña luna’ Siempre se dirige correctamente ”, dijo el coautor Chris Thatchuk, Profesor asistente de la Universidad de Washington en la Escuela de Ingeniería y Ciencias de la Computación Paul G. Allen.
La investigación se basa en más de 15 años de actividad Por un gran autor Paul RothemondEs profesor de investigación en bioingeniería, ciencias de la computación, matemáticas, computación y sistemas neuronales en el Instituto de Tecnología de California y sus colegas. En 2006, Rothemund demostró que se puede dirigir el ADN para que se pliegue en formas precisas mediante una técnica que el equipo denominó «Origami de ADN».
Rothimond y su equipo luego describieron cómo el ADN Origami podría colocarse en lugares específicos de las superficies. Para hacer esto, utilizaron un proceso de impresión que creaba parches «pegajosos» del mismo tamaño y forma que el origami. El ADN se une precisamente en el sitio de los puntos pegajosos triangulares.
A continuación, Rothemund y autor principal Ashwin GopinathUn profesor asistente de ingeniería mecánica en el Instituto de Tecnología de Massachusetts extendió esta tecnología para demostrar que los dispositivos moleculares creados a partir de ADN Origami pueden integrarse de manera confiable en dispositivos ópticos más grandes.
«La barrera tecnológica fue cómo se organizan repetidamente cantidades masivas de dispositivos moleculares en los patrones correctos en los tipos de materiales utilizados para la lámina», dijo Rothimond.
Pero esta técnica tenía talón de Aquiles.
«Dado que los triángulos eran equiláteros y podían girar y voltearse libremente», dijo Gopinath, «pueden adherirse planos al parche triangular de adhesivo en la superficie de cualquiera de las seis formas diferentes». «Esto significa que no podemos usar ningún dispositivo que requiera una dirección específica para operar. Nos hemos quedado atrapados con dispositivos que funcionan igual de bien cuando se apunta hacia arriba, hacia abajo o en cualquier dirección».
Los dispositivos moleculares para la secuenciación de ADN o la medición de proteínas deben estar boca arriba, por lo que esta técnica destruiría el 50% de los dispositivos. Para transistores y dispositivos que requieren una dirección de rotación única, solo funcionará el 16%.
El primer problema que se resolvió fue hacer que las hojas de ADN aterrizaran de manera confiable con el lado derecho hacia arriba.
«Es un poco como asegurarse de que la tostada siempre deje caer la mantequilla por arte de magia cuando la arrojas al suelo», dijo Rothemond.
El equipo primero cubrió el origami con una alfombra de hebras de ADN flexibles en un lado, lo que permitió que más del 95% aterrizara en su cara. Pero el problema con el control de la rotación permaneció.
Los investigadores cambiaron al uso de triángulos rectángulos con tres longitudes diferentes de bordes para crear una forma que aterrizaría en un giro preferido. Pero solo el 40% de los triángulos rectángulos apuntarán en la dirección correcta.
Fue entonces cuando Gopinath Thachuk se alistó David Kirkpatrick De la Universidad de Columbia Británica para encontrar una forma que solo colgaría en la dirección prevista. La solución que se le ocurrió a los científicos de la computación fue un disco con un orificio descentrado o en forma de «pequeña luna». Esta forma está unida a un parche correspondiente en forma de una pequeña luna en la superficie.
Las pruebas matemáticas han sugerido que, a diferencia del triángulo rectángulo, las lunas pequeñas pueden girar suavemente para encontrar la mejor alineación dentro de su parche adhesivo. Los experimentos de laboratorio demuestran que más del 98% de los satélites pequeños encuentran la dirección correcta.
El equipo ideó una nueva forma: un disco con un agujero descentrado o una «pequeña luna» (que se muestra aquí). A la izquierda hay una representación gráfica de la figura en violeta y la superficie (gris) con el parche mostrado en verde. La imagen central muestra una micrografía de la fuerza atómica de una superficie con nueve formas conectadas. A la derecha hay una imagen promedio que muestra que todas las formas están alineadas en la misma dirección. Gopinath y col. / Ciencias
Para resaltar este logro, el equipo creó una flor fluorescente sensible a la polarización en la que cada pétalo solo se ilumina cuando es estimulado por una luz polarizante específica. Cada pétalo está lleno de pequeñas lunas que contienen moléculas fluorescentes especiales colocadas perpendicularmente al eje de las espirales de ADN que forman la forma. Esto aseguró que todas las partículas fluorescentes en el pétalo fueran dirigidas en la misma dirección.
“Es como si cada molécula que lleva una pequeña antena pudiera aceptar la energía de la luz de manera más eficiente solo cuando la polarización de la luz coincide con la dirección de la antena”, dijo Gopinath.
Con métodos robustos para controlar la dirección ascendente y de rotación del origami de ADN, ahora se puede integrar una amplia gama de dispositivos moleculares en chips de computadora de alto rendimiento para una variedad de aplicaciones potenciales.
“Lo muy interesante de este proyecto es que aspectos de la informática se tradujeron muy bien en poderosos resultados experimentales”, dijo Thatchuk. «Todas estas ideas aparentemente divergentes de diferentes disciplinas debían trabajar juntas para llegar a esta solución».
Anya Mitskovets Y el Harry Atwater En el Instituto de Tecnología de California también son coautores de este artículo. Esta investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Naval, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación de la Familia Orr, el Instituto Abdeen y la Beca Postdoctoral Banting.
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