El origami de ARN es el plegamiento a nanoescala del ARN , lo que permite que el ARN cree formas particulares para organizar estas moléculas. [1] Es un nuevo método que fue desarrollado por investigadores de la Universidad de Aarhus y el Instituto de Tecnología de California . [2] El origami de ARN es sintetizado por enzimas que pliegan el ARN en formas particulares. El plegamiento del ARN ocurre en células vivas en condiciones naturales. El origami de ARN se representa como un gen de ADN , que dentro de las células puede ser transcrito en ARN por la ARN polimerasa . Existen muchos algoritmos informáticos para ayudar con el plegamiento del ARN, pero ninguno puede predecir completamente el plegamiento del ARN de una secuencia singular. [2]
En la nanotecnología de ácidos nucleicos, los ácidos nucleicos artificiales están diseñados para formar componentes moleculares que pueden autoensamblarse en estructuras estables para usos que van desde la administración dirigida de fármacos hasta biomateriales programables. [3] La nanotecnología de ADN utiliza motivos de ADN para construir formas y disposiciones de objetivos. Se ha utilizado en una variedad de situaciones, incluidas la nanorobótica, las matrices algorítmicas y las aplicaciones de sensores. El futuro de la nanotecnología de ADN está lleno de posibilidades de aplicaciones. [4]
El éxito de la nanotecnología del ADN ha permitido a los diseñadores desarrollar la nanotecnología del ARN como una disciplina en crecimiento. La nanotecnología del ARN combina el diseño y la manipulación simplistas característicos del ADN, con la flexibilidad adicional en la estructura y la diversidad en la función similar a la de las proteínas. [5] La versatilidad del ARN en la estructura y la función, los atributos in vivo favorables y el autoensamblaje de abajo hacia arriba son una vía ideal para desarrollar biomateriales y nanopartículas para la administración de fármacos. Se desarrollaron varias técnicas para construir estas nanopartículas de ARN, incluido el andamiaje cúbico de ARN, [6] el ensamblaje con y sin plantilla y el origami de ARN.
El primer trabajo sobre origami de ARN apareció en Science , publicado por Ebbe S. Andersen de la Universidad de Aarhus. [7] Los investigadores de la Universidad de Aarhus utilizaron varios modelos 3D y software informático para diseñar origami de ARN individuales. Una vez codificado como un gen de ADN sintético, la adición de ARN polimerasa dio como resultado la formación de origami de ARN. La observación del ARN se realizó principalmente a través de microscopía de fuerza atómica , una técnica que permite a los investigadores observar moléculas mil veces más de cerca de lo que normalmente sería posible con un microscopio óptico convencional. Pudieron formar formas de panal, pero determinaron que también son posibles otras formas.
Cody Geary, un experto en el campo del origami de ARN, describió la singularidad de este método. Afirmó que su receta de plegado está codificada en la propia molécula y está determinada por su secuencia. La secuencia le da al origami de ARN tanto su forma final como los movimientos de la estructura a medida que se pliega. El principal desafío asociado con el origami de ARN surge del hecho de que el ARN se pliega por sí solo y, por lo tanto, puede enredarse fácilmente. [2]
El diseño asistido por ordenador de la estructura del origami de ARN requiere tres procesos principales: crear el modelo 3D, escribir la estructura 2D y diseñar la secuencia. En primer lugar, se construye un modelo 3D utilizando motivos terciarios de bases de datos existentes. Esto es necesario para garantizar que la estructura creada tenga una geometría y una tensión factibles. El siguiente proceso es crear la estructura 2D que describe la ruta de la cadena y los pares de bases a partir del modelo 3D. Este plano 2D introduce restricciones de secuencia, creando motivos primarios, secundarios y terciarios. El paso final es diseñar secuencias compatibles con la estructura diseñada. Se pueden utilizar algoritmos de diseño para crear secuencias que puedan plegarse en varias estructuras. [8]
Para producir una forma deseada, el método del origami de ARN utiliza dobles entrecruzamientos (DX) para disponer las hélices de ARN en paralelo entre sí para formar un bloque de construcción. Mientras que el origami de ADN requiere la construcción de moléculas de ADN a partir de múltiples hebras, los investigadores pudieron idear un método para hacer moléculas DX a partir de una sola hebra para el ARN. Esto se hizo mediante la adición de motivos de horquilla a los bordes y complejos de bucles de beso en las hélices internas. La adición de más moléculas de ADN una encima de otra crea una unión conocida como costura de cola de milano. Esta costura de cola de milano tiene pares de bases que se cruzan entre uniones adyacentes; por lo tanto, la costura estructural a lo largo de la unión se vuelve específica de la secuencia. Un aspecto importante de estas interacciones de plegamiento es su plegamiento; el orden en que se forman las interacciones puede potencialmente crear una situación en la que una interacción bloquea a otra, creando un nudo. Debido a que las interacciones de bucles de beso y las interacciones de cola de milano son de media vuelta o más cortas, no crean estos problemas topológicos. [8]
Las nanoestructuras de ARN y ADN se utilizan para la organización y coordinación de importantes procesos moleculares. Sin embargo, existen varias diferencias claras entre la estructura fundamental y las aplicaciones entre ambos. Aunque está inspirado en las técnicas de origami de ADN establecidas por Paul Rothemund [9] , el proceso para el origami de ARN es muy diferente. El origami de ARN es un proceso mucho más nuevo que el origami de ADN; el origami de ADN se ha estudiado durante aproximadamente una década, mientras que el estudio del origami de ARN recién comenzó.
A diferencia del origami de ADN, que implica sintetizar químicamente las hebras de ADN y organizarlas para formar cualquier forma deseada con la ayuda de "hebras básicas", el origami de ARN se realiza mediante enzimas y posteriormente se pliega en formas predefinidas. El ARN es capaz de plegarse de formas únicas en estructuras complejas debido a una serie de motivos estructurales secundarios, como motivos conservados y elementos estructurales cortos. Un determinante principal de la topología del ARN es la interacción de la estructura secundaria, que incluye motivos como pseudonudos y bucles de beso, hélices adyacentes apiladas una sobre otra, bucles de horquilla con contenido abultado y pilas coaxiales. Esto es en gran medida el resultado de cuatro nucleótidos diferentes: adenina (A), citosina (C), guanina (G) y uracilo (U), y la capacidad de formar pares de bases no canónicos .
También existen interacciones terciarias de ARN más complejas y de mayor alcance. El ADN no puede formar estos motivos terciarios y, por lo tanto, no puede igualar la capacidad funcional del ARN para realizar tareas más versátiles. Las moléculas de ARN que están correctamente plegadas pueden servir como enzimas, debido a la ubicación de iones metálicos en sus sitios activos; esto le da a las moléculas una amplia gama de capacidades catalíticas. [10] Debido a esta relación con las enzimas, las estructuras de ARN pueden potencialmente crecer dentro de células vivas y usarse para organizar las enzimas celulares en grupos distintos.
Además, la fragmentación molecular del origami de ADN no se incorpora fácilmente al material genético de un organismo. Sin embargo, el origami de ARN se puede escribir directamente como un gen de ADN y transcribirlo utilizando la ARN polimerasa. Por lo tanto, mientras que el origami de ADN requiere un costoso cultivo fuera de una célula, el origami de ARN se puede producir en cantidades masivas y económicas directamente dentro de las células simplemente cultivando bacterias. [11] La viabilidad y la rentabilidad de la fabricación de ARN en células vivas y combinadas con la funcionalidad adicional de la estructura del ARN son prometedoras para el desarrollo del origami de ARN.
El origami de ARN es un concepto nuevo y tiene un gran potencial para aplicaciones en nanomedicina y biología sintética. El método fue desarrollado para permitir nuevas creaciones de grandes nanoestructuras de ARN que crean andamiajes definidos para combinar funcionalidades basadas en ARN. Debido a la infancia del origami de ARN, muchas de sus aplicaciones potenciales aún están en proceso de descubrimiento. Sus estructuras pueden proporcionar una base estable para permitir la funcionalidad de los componentes del ARN. Estas estructuras incluyen riboswitches , ribozimas , sitios de interacción y aptámeros . Las estructuras de aptámeros permiten la unión de moléculas pequeñas, lo que brinda posibilidades para la construcción de futuros nanodispositivos basados en ARN. El origami de ARN es útil además en áreas como el reconocimiento celular y la unión para el diagnóstico. Además, se han estudiado la administración dirigida y el paso de la barrera hematoencefálica . [6] Quizás la aplicación futura más importante para el origami de ARN sea la construcción de andamiajes para organizar otras proteínas microscópicas y permitir que trabajen entre sí. [8]
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