El origami de ADN es el plegamiento a nanoescala del ADN para crear formas arbitrarias bidimensionales y tridimensionales a nanoescala . La especificidad de las interacciones entre pares de bases complementarias hacen del ADN un material de construcción útil, mediante el diseño de sus secuencias de bases. [2] El ADN es un material bien conocido que es adecuado para crear estructuras que mantengan otras moléculas en su lugar o para crear estructuras por sí solo.
El origami de ADN fue el artículo de portada de Nature el 16 de marzo de 2006. [3] Desde entonces, el origami de ADN ha pasado de ser una forma de arte y ha encontrado una serie de aplicaciones, desde sistemas de administración de fármacos hasta usos como circuitos en dispositivos plasmónicos; sin embargo, la mayoría de las aplicaciones comerciales permanecen en una fase de concepto o prueba. [4]
La idea de utilizar el ADN como material de construcción fue introducida por primera vez a principios de los años 1980 por Nadrian Seeman . [5] El método del origami de ADN fue desarrollado por Paul Rothemund en el Instituto de Tecnología de California . [6] A diferencia de los métodos comunes de fabricación de arriba hacia abajo, como la impresión 3D o la litografía, que implican depositar o eliminar material a través de una herramienta, la nanotecnología de ADN, así como el ADN Origami como un subconjunto, es un método de fabricación de abajo hacia arriba. Al diseñar racionalmente las subunidades constituyentes del polímero de ADN, el ADN puede autoensamblarse en una variedad de formas. El proceso de construcción de DNA Origami implica el plegamiento de una larga hebra única de ADN viral (normalmente el ADN genómico de 7249 pb del bacteriófago M13 ) con la ayuda de múltiples hebras "básicas" más pequeñas. Estos hilos más cortos se unen a los más largos en varios lugares, dando como resultado la formación de una forma bidimensional o tridimensional predefinida. [7] Los ejemplos incluyen una cara sonriente y un mapa burdo de China y América, junto con muchas estructuras tridimensionales como cubos. [8]
Hay varias propiedades del ADN que hacen de la molécula un material de construcción ideal para el origami de ADN. Las cadenas de ADN tienen una tendencia natural a unirse a sus secuencias complementarias mediante el emparejamiento de bases Watson-Crick . Esto permite que los cordones de grapas ubiquen la posición en el cordón del andamio sin ninguna manipulación externa, lo que lleva al autoensamblaje de la estructura deseada.
La secuencia específica de bases en el ADN le da al material un elemento de programabilidad al determinar su comportamiento de unión. Diseñar cuidadosamente las secuencias de las hebras de grapas permite a los científicos dirigir con precisión el plegado de la hebra del andamio hacia una forma predeterminada con alta precisión. [9]
A nivel químico, los enlaces de hidrógeno que existen entre los pares de bases complementarias proporcionan fuerza y estabilidad a las estructuras de origami de ADN plegadas. Además, el ADN es una molécula relativamente estable que ofrece resiliencia en condiciones fisiológicas. [9]
Una de las ventajas de utilizar una nanoestructura de ADN Origami sobre una nanoestructura de ADN clasificada de otro modo es la facilidad para definir estructuras finitas. [10] En el diseño de algunas otras nanoestructuras de ADN, puede resultar poco práctico diseñar un número extremadamente grande de hebras individualizadas si toda la estructura está compuesta de hebras más pequeñas. Un método para evitar la necesidad de una gran cantidad de hebras diferentes es utilizar unidades repetitivas, lo que tiene la desventaja de una distribución de tamaños y, a veces, de formas. DNA Origami, sin embargo, forma estructuras discretas. [10]
Las aplicaciones de DNA Origami se centran principalmente en la capacidad de ejercer un control fino sobre los sistemas, especialmente restringiendo las posiciones de las moléculas, generalmente mediante la unión a las nanoestructuras de DNA Origami. Las aplicaciones actuales se centran principalmente en la detección y la administración de fármacos, pero se han investigado muchas aplicaciones adicionales.
La fabricación de objetos de origami de ADN requiere una intuición preliminar del diseño estructural de ADN tridimensional. Esto puede ser difícil de entender debido a la complejidad de utilizar exclusivamente pares adenina - timina y pares guanina - citosina para plegar y desenredar moléculas de ADN de doble hélice de modo que las hebras de salida produzcan formas únicas deseadas.
El software de diseño y la elección de secuencias de pares de bases se vuelven cruciales para crear formas intrincadas en 2D o incluso 3D, ya que la clave del origami de ADN reside en el emparejamiento preciso de bases entre los dos bloques de construcción de la técnica: las hebras de grapas y el andamio. Esto garantiza una encuadernación específica y un plegado preciso. Una cadena de andamio es una molécula de ADN larga y monocatenaria, que a menudo proviene de un virus. Las hebras de grapas son hebras de ADN más cortas diseñadas para unirse a secuencias específicas en la hebra del armazón, dictando su plegado. [9]
Para producir la forma deseada, las imágenes se dibujan con un relleno rasterizado de una única molécula de ADN larga . Luego, este diseño se introduce en un programa de computadora que calcula la ubicación de las hebras de grapas individuales. Cada grapa se une a una región específica de la plantilla de ADN y, por lo tanto, debido al emparejamiento de bases de Watson-Crick , se conocen y muestran las secuencias necesarias de todas las hebras de grapas. El ADN se mezcla, luego se calienta y se enfría. A medida que el ADN se enfría, las distintas grapas tiran de la hebra larga hasta darle la forma deseada. Los diseños son directamente observables mediante varios métodos, incluida la microscopía electrónica , la microscopía de fuerza atómica o la microscopía de fluorescencia cuando el ADN se acopla a materiales fluorescentes. [6]
Los métodos de autoensamblaje ascendente se consideran alternativas prometedoras que ofrecen una síntesis paralela y económica de nanoestructuras en condiciones relativamente suaves.
Desde la creación de este método, se desarrolló un software para ayudar en el proceso utilizando software CAD . Esto permite a los investigadores utilizar una computadora para determinar la forma de crear las grapas correctas necesarias para formar una determinada forma. Uno de esos programas llamado caDNAno es un software de código abierto para crear este tipo de estructuras a partir del ADN. El uso de software no sólo ha aumentado la facilidad del proceso sino que también ha reducido drásticamente los errores cometidos en los cálculos manuales. [11] [5]
Después de planificar meticulosamente la secuencia de las hebras de grapas con software para garantizar que se unan a la hebra de armazón en los puntos previstos, las secuencias de las hebras de grapas diseñadas se sintetizan en un laboratorio utilizando técnicas como la síntesis automatizada de ADN. Finalmente, la hebra de andamio y las hebras de grapas se mezclan en una solución tampón y se someten a un ciclo de temperatura específico. Este ciclo permite que las hebras de grapas encuentren sus secuencias complementarias en la hebra del andamio y se unan mediante enlaces de hidrógeno , lo que hace que el andamio se doble en la forma deseada. [9]
Como en el campo más amplio de la nanotecnología del ADN, el Origami de ADN puede volverse dinámico por naturaleza mediante el uso de una variedad de métodos. Los tres métodos principales para crear una máquina dinámica de Origami de ADN son el desplazamiento de hebras mediado por el punto de apoyo, las reacciones enzimáticas y el apilamiento de bases. [12] Si bien estos métodos se utilizan con mayor frecuencia, existen métodos adicionales para crear máquinas dinámicas de origami de ADN, como diseñar un componente direccional y utilizar el movimiento browniano para impulsar el movimiento rotacional de las estructuras [13] o aprovechar fenómenos de autoensamblaje de ADN menos utilizados. como G-quadruplex o i-motifs que pueden ser sensibles al pH. [14]
De lo contrario, las modificaciones se pueden utilizar para afectar las propiedades estructurales, impartir una química única a las nanoestructuras o agregar respuestas a estímulos a las nanoestructuras. Las modificaciones de las estructuras se pueden realizar mediante la conjugación de moléculas como las proteínas o mediante la modificación química de las propias bases del ADN. Se han demostrado respuestas dependientes del pH, respuestas dependientes de la luz y más a través de sistemas modificados.
Un ejemplo de aplicación de la creación de estructuras dinámicas es la capacidad de tener una respuesta a un estímulo que resulte en la liberación de fármacos, que presentan varios grupos. [15] [16] Otras aplicaciones menos comunes son la detección de mecanismos de movimiento in vivo, como el desenrollado de la helicasa. [17]
DNA Origami, al estar hecho de un polímero biológico natural, se adapta bien al entorno biológico cuando las concentraciones de sal lo permiten, [1] y ofrece un control preciso sobre la posición de las moléculas y estructuras en el sistema. Esto permite que DNA Origami sea aplicable a varios escenarios en ingeniería biomédica. Las aplicaciones biomédicas actuales incluyen la liberación de fármacos con mecanismos de orden 0, [2] vacunas, [3] señalización celular, [4] y aplicaciones de detección. [5]
El ADN se pliega en un octaedro y se recubre con una única bicapa de fosfolípido , imitando la envoltura de una partícula de virus . Las nanopartículas de ADN, cada una del tamaño aproximado de un virión, pueden permanecer en circulación durante horas después de ser inyectadas en ratones. También provoca una respuesta inmune mucho menor que las partículas no recubiertas. Presenta un uso potencial en la administración de fármacos, según informaron investigadores del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard. [18] [19]
Investigadores del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard informaron sobre los vasos de administración de medicamentos que se autoensamblan y autodestruyen utilizando origami de ADN en pruebas de laboratorio. El nanorobot de ADN que crearon es un tubo de ADN abierto con una bisagra en un lado que se puede cerrar con broches. El tubo de ADN lleno de fármaco se mantiene cerrado mediante un aptámero de ADN , configurado para identificar y buscar ciertas proteínas relacionadas con la enfermedad. Una vez que los nanobots de origami llegan a las células infectadas, los aptámeros se rompen y liberan el fármaco. El primer modelo de enfermedad que utilizaron los investigadores fue la leucemia y el linfoma . [20]
Investigadores del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología de Beijing y la Universidad Estatal de Arizona informaron sobre un vehículo de administración de origami de ADN para la doxorrubicina , un conocido fármaco contra el cáncer. El fármaco se unió de forma no covalente a nanoestructuras de origami de ADN mediante intercalación y se logró una alta carga de fármaco. El complejo ADN-doxorrubicina fue absorbido por las células cancerosas del adenocarcinoma de mama humano ( MCF-7 ) mediante internalización celular con una eficacia mucho mayor que la doxorrubicina en forma libre. La mejora de la actividad de destrucción celular se observó no sólo en el MCF-7 normal , sino más importante aún, también en las células resistentes a la doxorrubicina. Los científicos teorizaron que el origami de ADN cargado de doxorrubicina inhibe la acidificación lisosomal , lo que resulta en una redistribución celular del fármaco a los sitios de acción, aumentando así la citotoxicidad contra las células tumorales. [21] [22] Pruebas adicionales in vivo en ratones sugieren que durante un período de 12 días, la doxorrubicina fue más eficaz para reducir el tamaño de los tumores en ratones cuando estaba contenida en nanoestructuras de origami de ADN o DON. [23]
Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts están desarrollando un método para unir varios antígenos virales a partículas de ADN con forma de virus para imitar el virus que se utilizará para desarrollar nuevas vacunas. [24] Esto se inició en 2016 cuando el laboratorio de Bathe creó un algoritmo conocido como DAEDALUS (Algoritmo de diseño de secuencia de origami de ADN para estructuras definidas por el usuario) para generar formas tridimensionales de ADN controladas con precisión. [25] Utilizando la herramienta, diseñaron un andamio con forma de virus que puede unir de forma modular diferentes antígenos a la superficie del andamio de ADN. Actualmente, el MIT está trabajando para desarrollar geometrías óptimas para que las células B reconozcan los antígenos del VIH. Otras investigaciones han intentado reemplazar los antígenos del VIH con SARS-CoV-2 y están probando si las vacunas muestran una respuesta inmune adecuada a partir de células B aisladas y en ratones. [26]
De manera similar, investigadores de la Universidad Técnica de Munich han desarrollado un método para que las células T se dirijan a las células tumorales mediante el uso de origami de ADN recubierto de antígeno. [27] Los investigadores desarrollaron un método para crear chasis conocidos como Engagers de células T programables o (PTE), que son estructuras de ADN de Origami que se pueden configurar para unirse a células objetivo y células T definidas por el usuario en función de las cuales se recubren los antígenos. las superficies de la nanoestructura. Los resultados in vitro muestran que tras 24 horas de exposición el 90% de las células tumorales fueron destruidas. Mientras tanto, las pruebas in vivo mostraron que sus PTE eran capaces de unirse a las proteínas objetivo durante varias horas, lo que valida el mecanismo que diseñaron. [28]
En la literatura se han sugerido muchas aplicaciones potenciales, incluida la inmovilización de enzimas, sistemas de administración de fármacos y autoensamblaje nanotecnológico de materiales. Aunque el ADN no es la opción natural para construir estructuras activas para aplicaciones nanorobóticas, debido a su falta de versatilidad estructural y catalítica, varios artículos han examinado la posibilidad de caminantes moleculares en origami e interruptores para computación algorítmica. [8] [29] Los siguientes párrafos enumeran algunas de las aplicaciones reportadas realizadas en laboratorios con potencial clínico.
En un estudio realizado por un grupo de científicos del centro iNANO y del Centro CDNA de la Universidad de Aarhus , los investigadores pudieron construir una pequeña caja de ADN Origami 3D multiconmutable. La nanopartícula propuesta se caracterizó mediante AFM , TEM y FRET . Se demostró que la caja construida tenía un mecanismo de cierre único, que le permitía abrirse y cerrarse repetidamente en respuesta a un conjunto único de claves de ADN o ARN. Los autores propusieron que este "dispositivo de ADN puede usarse potencialmente para una amplia gama de aplicaciones, como el control de la función de moléculas individuales, la administración controlada de fármacos y la computación molecular". [30]
Los nanorobots hechos de origami de ADN demostraron capacidades informáticas y completaron tareas preprogramadas dentro del organismo vivo, según informó un equipo de bioingenieros del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard y del Instituto de Nanotecnología y Materiales Avanzados de la Universidad Bar-Ilan . Como prueba de concepto, el equipo inyectó varios tipos de nanobots (el ADN enrollado que encierra moléculas con marcadores fluorescentes ) en cucarachas vivas. Al rastrear los marcadores dentro de las cucarachas, el equipo encontró que la precisión de la entrega de las moléculas (liberadas por el ADN desenrollado) en las células objetivo, las interacciones entre los nanobots y el control son equivalentes a un sistema informático. La complejidad de las operaciones lógicas, las decisiones y las acciones aumenta con el aumento del número de nanobots. El equipo estimó que la potencia informática de la cucaracha se puede ampliar hasta la de una computadora de 8 bits. [31] [32]
Un grupo de investigación del Instituto Indio de Ciencias utilizó nanoestructuras para desarrollar una plataforma para dilucidar el apilamiento coaxial entre bases de ADN. Este enfoque utilizó microscopía de superresolución basada en DNA-PAINT para visualizar estas nanoestructuras de ADN y realizó un análisis de la cinética de unión del ADN para dilucidar la fuerza fundamental del apilamiento de bases que ayuda a estabilizar la estructura de doble hélice del ADN. Luego ensamblaron nanoestructuras de origami de ADN multimérico denominadas "estrella de tres puntas" en una estructura de origami 3D tetraédrica . El ensamblaje se basó principalmente en interacciones de apilamiento de bases entre cada subunidad. El grupo demostró además que el conocimiento de tales interacciones puede usarse para predecir y así ajustar las estabilidades relativas de estas nanoestructuras de ADN multimérico. [33]
También ha surgido la idea de utilizar el diseño de proteínas para lograr los mismos objetivos que el origami de ADN. Investigadores del Instituto Nacional de Química de Eslovenia están trabajando en el uso de un diseño racional del plegamiento de proteínas para crear estructuras muy parecidas a las que se ven en el origami de ADN. El principal objetivo de la investigación actual en el diseño del plegamiento de proteínas se encuentra en el campo de la administración de fármacos, utilizando anticuerpos unidos a proteínas como forma de crear un vehículo específico. [34] [35]