El origami de ADN es el plegamiento a escala nanométrica del ADN para crear formas arbitrarias bidimensionales y tridimensionales a escala nanométrica . La especificidad de las interacciones entre pares de bases complementarios hace del ADN un material de construcción útil, a través del diseño de sus secuencias de bases. [2] El ADN es un material bien conocido que es adecuado para crear andamiajes que sostienen otras moléculas en su lugar o para crear estructuras por sí solo.
El origami de ADN fue tema de portada de la revista Nature del 16 de marzo de 2006. [3] Desde entonces, el origami de ADN ha dejado de ser una forma de arte y ha encontrado numerosas 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 usar ADN como material de construcción fue introducida por primera vez a principios de la década de 1980 por Nadrian Seeman . [5] El método de origami de ADN fue desarrollado por Paul Rothemund en el Instituto de Tecnología de California . [6] A diferencia de los métodos de fabricación comunes de arriba hacia abajo, como la impresión 3D o la litografía, que implican depositar o eliminar material a través de una herramienta, la nanotecnología del ADN, así como el origami de ADN como 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 del origami de ADN implica el plegado de una sola hebra larga de ADN viral (típicamente el ADN genómico de 7249 pb del bacteriófago M13 ) ayudado por múltiples hebras "básicas" más pequeñas. Estas hebras más cortas se unen a las más largas en varios lugares, lo que resulta en la formación de una forma bidimensional o tridimensional predefinida. [7] Algunos ejemplos son una cara sonriente y un mapa aproximado de China y las Américas, junto con muchas estructuras tridimensionales como cubos. [8]
Existen varias propiedades del ADN que hacen que la molécula sea un material de construcción ideal para el origami de ADN. Las cadenas de ADN tienen una tendencia natural a unirse a sus secuencias complementarias a través del apareamiento de bases Watson-Crick . Esto permite que las cadenas de grapas se ubiquen en la posición correcta en la cadena de andamiaje sin ninguna manipulación externa, lo que conduce al autoensamblaje de la estructura deseada.
La secuencia específica de bases del ADN confiere al material un elemento de programabilidad al determinar su comportamiento de unión. El diseño cuidadoso de las secuencias de las hebras básicas permite a los científicos dirigir con precisión el plegado de la hebra de andamiaje en una forma predeterminada con gran precisión. [9]
A nivel químico, los enlaces de hidrógeno que existen entre los pares de bases complementarias proporcionan fuerza y estabilidad a las estructuras plegadas del origami de ADN. Además, el ADN es una molécula relativamente estable, lo que ofrece resiliencia en condiciones fisiológicas. [9]
Una de las ventajas de utilizar una nanoestructura de ADN Origami en lugar de una nanoestructura de ADN clasificada de otra manera es la facilidad para definir estructuras finitas. [10] En el diseño de algunas otras nanoestructuras de ADN, puede resultar poco práctico diseñar una cantidad extremadamente grande de hebras individualizadas si la estructura completa está compuesta de hebras más pequeñas. Un método para evitar la necesidad de una gran cantidad de hebras diferentes es utilizar unidades repetidas, lo que conlleva la desventaja de una distribución de tamaños y, a veces, formas. El ADN Origami, sin embargo, forma estructuras discretas. [10]
Las aplicaciones del origami de ADN se centran principalmente en la capacidad de ejercer un control preciso sobre los sistemas, especialmente mediante la limitación de las posiciones de las moléculas, normalmente mediante la unión a las nanoestructuras del origami de ADN. Las aplicaciones actuales se centran principalmente en la detección y la administración de fármacos, pero se han investigado muchas otras aplicaciones.
La fabricación de objetos de origami de ADN requiere una intuición preliminar del diseño estructural del ADN tridimensional. Esto puede resultar difícil de comprender debido a la complejidad de utilizar exclusivamente pares de adenina - timina y de guanina - citosina para plegar y desenredar moléculas de ADN de doble hélice de modo que las hebras resultantes produzcan formas deseadas de manera única.
El software de diseño y la elección de secuencias de pares de bases resultan 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 unión específica y un plegado preciso. Una hebra de andamio es una molécula de ADN monocatenaria larga, 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 de andamio, lo que dicta su plegado. [9]
Para producir una forma deseada, se dibujan imágenes con un relleno de trama de una única molécula larga de ADN . Luego, este diseño se introduce en un programa informático que calcula la colocación 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 apareamiento de bases 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 se pueden observar directamente a través de 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 de abajo hacia arriba se consideran alternativas prometedoras que ofrecen una síntesis paralela y barata de nanoestructuras en condiciones relativamente suaves.
Desde la creación de este método, se ha desarrollado un software para ayudar al proceso mediante 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 estos programas, llamado caDNAno, es un software de código abierto para crear este tipo de estructuras a partir de ADN. El uso de software no solo ha aumentado la facilidad del proceso, sino que también ha reducido drásticamente los errores cometidos por los cálculos manuales. [11] [5]
Después de planificar meticulosamente la secuencia de las hebras de grapas con un software para garantizar que se unan a la hebra del andamio en los puntos previstos, las secuencias de hebras de grapas diseñadas se sintetizan en un laboratorio utilizando técnicas como la síntesis automatizada de ADN. Finalmente, la hebra del 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 a través de enlaces de hidrógeno , lo que hace que el andamio se pliegue en la forma deseada. [9]
Al igual que 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 de origami de ADN dinámica son el desplazamiento de hebras mediado por puntos de apoyo, las reacciones enzimáticas y el apilamiento de bases. [12] Si bien estos métodos son los más utilizados, existen métodos adicionales para crear máquinas de origami de ADN dinámicas, como el diseño de un componente direccional y el uso del movimiento browniano para impulsar el movimiento rotacional de las estructuras [13] o el aprovechamiento de fenómenos de autoensamblaje de ADN menos utilizados, como los G-cuadruplexes o los i-motifs que pueden ser sensibles al pH. [14]
Las modificaciones se pueden utilizar de otras formas para afectar las propiedades estructurales, impartir una química única a las nanoestructuras o añadir respuestas de estímulo 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, de la luz y más mediante sistemas modificados.
Un ejemplo de aplicación de la creación de estructuras dinámicas es la capacidad de tener una respuesta a estímulos que resulte en la liberación de fármacos, que es presentada por varios grupos. [15] [16] Otras aplicaciones menos comunes incluyen la detección de mecanismos de movimiento in vivo, como el desenrollado de la helicasa. [17]
El origami de ADN, 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 el posicionamiento de las moléculas y las estructuras en el sistema. Esto permite que el origami de ADN se pueda aplicar a una serie de escenarios en la 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 sola bicapa de fosfolípidos , imitando la envoltura de una partícula viral . Las nanopartículas de ADN, cada una de ellas del tamaño de un virión, pueden permanecer en circulación durante horas después de ser inyectadas en ratones. También provoca una respuesta inmunitaria mucho menor que las partículas sin recubrimiento. Presenta un uso potencial en la administración de fármacos, según informaron investigadores del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard. [18] [19]
Los investigadores del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard informaron sobre los recipientes de administración de fármacos autoensamblables y autodestructivos que utilizan el origami de ADN en las 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. 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 nanorobots 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 Pekín y de la Universidad Estatal de Arizona informaron sobre un vehículo de administración de origami de ADN para la doxorrubicina , un conocido fármaco anticancerígeno. El fármaco se unió de forma no covalente a las 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 eficiencia mucho mayor que la doxorrubicina en forma libre. La mejora de la actividad de destrucción celular se observó no solo en MCF-7 normal , sino más importante aún, también en células resistentes a la doxorrubicina. Los científicos teorizaron que el origami de ADN cargado con doxorrubicina inhibe la acidificación lisosomal , lo que resulta en la 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]
Los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) 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 comenzó en 2016 cuando el laboratorio de Bathe creó un algoritmo conocido como DAEDALUS (algoritmo de diseño de secuencias de origami de ADN para estructuras definidas por el usuario) para generar formas tridimensionales de ADN controladas con precisión. [25] Usando la herramienta diseñaron un andamiaje con forma de virus que puede unir modularmente diferentes antígenos a la superficie del andamiaje 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 de células B aisladas y en ratones. [26]
De manera similar, investigadores de la Universidad Técnica de Múnich 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 activadores de células T programables (PTE), que son estructuras de origami de ADN que se pueden configurar para unirse a células diana definidas por el usuario y a células T en función de los antígenos que estén recubiertos en las superficies de la nanoestructura. Los resultados in vitro muestran que después de 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 diana durante varias horas, lo que valida el mecanismo que diseñaron. [28]
En la literatura se han sugerido muchas aplicaciones potenciales, entre ellas la inmovilización de enzimas, los sistemas de administración de fármacos y el 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 utilizar caminantes moleculares en origami e interruptores para computación algorítmica. [8] [29] Los párrafos siguientes enumeran algunas de las aplicaciones informadas realizadas en los 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 en origami tridimensional 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]
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 han demostrado que los nanorobots hechos de ADN origami tienen capacidad de procesamiento y han completado tareas preprogramadas dentro de un organismo vivo . Como prueba de concepto, el equipo inyectó varios tipos de nanorobots (las moléculas enroscadas que contienen marcadores fluorescentes ) en cucarachas vivas. Al rastrear los marcadores dentro de las cucarachas, el equipo descubrió que la precisión de la entrega de las moléculas (liberadas por el ADN desenrollado) en las células objetivo, las interacciones entre los nanorobots y el control son equivalentes a las de un sistema informático. La complejidad de las operaciones lógicas, las decisiones y las acciones, aumenta con el aumento del número de nanorobots. El equipo estimó que la capacidad de procesamiento de la cucaracha se puede escalar 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 que permitiera dilucidar el apilamiento coaxial entre bases de ADN. Este enfoque utilizó la microscopía de superresolución basada en DNA-PAINT para visualizar estas nanoestructuras de ADN y realizó un análisis cinético de unión de 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 multiméricas denominadas "estrella de tres puntas" en una estructura de origami tridimensional tetraédrica . El ensamblaje se basó principalmente en interacciones de apilamiento de bases entre cada subunidad. El grupo demostró además que el conocimiento de dichas interacciones se puede utilizar para predecir y, por lo tanto, ajustar las estabilidades relativas de estas nanoestructuras de ADN multiméricas. [33]
También ha surgido la idea de utilizar el diseño de proteínas para lograr los mismos objetivos que el origami de ADN. Los investigadores del Instituto Nacional de Química de Eslovenia están trabajando en el uso del diseño racional del plegamiento de proteínas para crear estructuras muy similares a las que se ven en el origami de ADN. El principal foco de la investigación actual en el diseño del plegamiento de proteínas está en el campo de la administración de fármacos, utilizando anticuerpos unidos a proteínas como una forma de crear un vehículo específico. [34] [35]