Un origami de ADN une fuerzas con motores moleculares para construir máquinas a nanoescala
Un día, esta tecnología híbrida podría ser la base para los robots de inspiración biológica.
Durante décadas, los investigadores han buscado formas de estudiar máquinas biológicas. Cada movimiento mecánico, desde contraer un músculo hasta replicar el ADN, se basa en motores moleculares que toman pasos casi indetectables. Intentar verlos moverse es como tratar de ver un partido de fútbol que tiene lugar en la luna. Ahora, con los helicópteros de origami de ADN, los investigadores han capturado los primeros pasos rotacionales registrados de un motor molecular a medida que se movía de un par de bases de ADN a otro.
Cada año, los robots se vuelven cada vez más realistas. Las abejas que funcionan con energía solar vuelan sobre alas ágiles, los humanoides se pegan hacia atrás y los equipos de bots de fútbol planean cómo driblar, pasar y anotar. Y, cuanto más descubren los investigadores acerca de cómo se mueven las criaturas vivientes, más máquinas pueden imitarlas hasta sus moléculas más pequeñas.
"Ya tenemos estas increíbles máquinas en nuestros cuerpos y funcionan muy bien", dijo Pallav Kosuri. "Simplemente no sabemos exactamente cómo funcionan".
Ahora, en un estudio reciente publicado en la revista Nature, un equipo de investigadores que incluyen a Xiaowei Zhuang, el Profesor de Ciencias David B. Arnold en la Universidad de Harvard y un Investigador del Instituto Médico Howard Hughes, y el investigador postdoctoral del Laboratorio Zhuang Pallav Kosuri y Benjamin Altheimer, un estudiante de la Escuela de Graduados de Artes y Ciencias, capturó los primeros pasos rotacionales registrados de un motor molecular cuando se movía de un par de bases de ADN a otro.
En colaboración con Peng Yin, un profesor del Instituto Wyss y la Escuela de Medicina de Harvard, y su estudiante de posgrado Mingjie Dai, el equipo combinó el origami de ADN con el seguimiento de una sola molécula de alta precisión, creando una nueva técnica llamada ORBIT (origami-rotor), imágenes y seguimiento basados para observar máquinas moleculares en movimiento.
En nuestros cuerpos, algunos motores moleculares marchan directamente a través de las células musculares, haciendo que se contraigan. Otros reparan, replican o transcriben ADN: estos motores que interactúan con el ADN pueden agarrarse a una hélice de doble cadena y escalar de una base a la siguiente, como subir una escalera de caracol.
Para ver estas mini máquinas en movimiento, el equipo quería aprovechar el movimiento de torsión: primero, pegaban el motor de interacción con el ADN a un soporte rígido. Una vez fijado, el motor tuvo que girar la hélice para pasar de una base a la siguiente. Entonces, si pudieran medir cómo giraba la hélice, podrían determinar cómo se movía el motor.
Pero todavía había un problema: cada vez que un motor se mueve a través de un par de bases, la rotación desplaza el ADN en una fracción de nanómetro. Ese cambio es demasiado pequeño para resolverlo incluso con los microscopios de luz más avanzados.
Dos bolígrafos en forma de hélices de helicóptero generaron una idea para resolver este problema: una hélice sujeta al ADN giratorio se movería a la misma velocidad que la hélice y, por lo tanto, el motor molecular. Si pudieran construir un helicóptero de ADN, lo suficientemente grande como para permitir la visualización de las palas del rotor giratorio, podrían capturar el movimiento esquivo del motor en la cámara.
Para construir hélices del tamaño de una molécula, Kosuri, Altheimer y Zhuang decidieron usar origami de ADN. Utilizado para crear arte, administrar medicamentos a las células, estudiar el sistema inmunológico y más, el origami de ADN implica manipular hebras para unirse a formas hermosas y complicadas fuera de la doble hélice tradicional.
"Si tienes dos cadenas complementarias de ADN, se comprimen", dijo Kosuri. "Eso es lo que hacen". Pero, si se modifica una hebra para complementar una hebra en una hélice diferente, se pueden encontrar unas a otras y, en cambio, cerrarlas, tejiendo nuevas estructuras.
Para construir sus hélices de origami, el equipo recurrió a Peng Yin, un pionero de la tecnología de origami. Con la guía de Yin y su estudiante graduado Dai, el equipo tejió casi 200 piezas individuales de fragmentos de ADN en una forma de hélice de 160 nanómetros de longitud. Luego, unieron las hélices a una doble hélice regular y alimentaron el otro extremo a RecBCD, un motor molecular que descomprime el ADN. Cuando el motor comenzó a funcionar, hizo girar el ADN, girando la hélice como un sacacorchos.
"Nadie había visto esta proteína en realidad girar el ADN porque se mueve súper rápido", dijo Kosuri.
El motor puede moverse a través de cientos de bases en menos de un segundo, pero, con sus hélices de origami y una cámara de alta velocidad funcionando a mil cuadros por segundo, el equipo finalmente pudo registrar los rápidos movimientos de rotación del motor.
"Tantos procesos críticos en el cuerpo involucran interacciones entre las proteínas y el ADN", dijo Altheimer. Comprender cómo funcionan o no funcionan estas proteínas podría ayudar a responder preguntas biológicas fundamentales sobre la salud y las enfermedades humanas.
El equipo comenzó a explorar otros tipos de motores de ADN. Uno, la ARN polimerasa, se mueve a lo largo del ADN para leer y transcribir el código genético en ARN. Inspirado por investigaciones anteriores, el equipo teorizó que este motor podría rotar el ADN en pasos de 35 grados, correspondientes al ángulo entre dos bases de nucleótidos vecinas.
ORBIT demostró que tenían razón: "Por primera vez, hemos podido ver las rotaciones de un solo par de bases que subyacen en la transcripción del ADN", dijo Kosuri. Esos pasos de rotación son, como se predijo, alrededor de 35 grados.
Millones de hélices de ADN autoensambladas pueden caber en una sola diapositiva de microscopio, lo que significa que el equipo puede estudiar cientos o incluso miles de ellas a la vez, utilizando solo una cámara conectada a un microscopio. De esa manera, pueden comparar y contrastar cómo los motores individuales realizan su trabajo.
"No hay dos enzimas que sean idénticas", dijo Kosuri. "Es como un zoológico".
Una proteína motora podría saltar, mientras que otra se revuelve momentáneamente. Sin embargo, otro podría detenerse en una base durante más tiempo que cualquier otro. El equipo aún no sabe exactamente por qué se mueven como lo hacen. Armados con ORBIT, pronto podrían.
El ORBIT también podría inspirar nuevos diseños de nanotecnología alimentados con fuentes de energía biológica como la ATP. "Lo que hemos hecho es una nanomáquina híbrida que usa componentes diseñados y motores biológicos naturales", dijo Kosuri. Un día, esta tecnología híbrida podría ser la base literal para los robots de inspiración biológica. @mundiario
