Origami de ADN

ELorigami, o papiroflexia, es el arte del plegado de papel. Con imaginaci¨®n e ingenio, el papel puede plegarse de muy diversas formas para generar objetos similares a aves, aviones, barcos, sombreros, etc. Pues bien, gracias a un interesante avance de la nanotecnolog¨ªa,se ha conseguido plegar tambi¨¦n ADN para generar estructuras y objetos sorprendentes. Veamos c¨®mo.

El objetivo central de la nanotecnolog¨ªa es el posicionamiento y organizaci¨®n de la materia con precisi¨®n cercana al nan¨®metro. Recordemos que un metro contiene mil millones de nan¨®metros y que una bacteria de tama?o medio puede medir unos 10.000 nan¨®metros, por lo que la nanotecnolog¨ªa, probablemente,alcanza el l¨ªmite de lo que es posible manipular.

Sin embargo, la nanotecnolog¨ªa se encuentra en la base de los sistemas biol¨®gicos naturales, desde los flagelos bacterianos al cerebro humano, formados por estructuras que se ensamblan de manera autom¨¢tica. Se dice que el arte imita a la Naturaleza; no hay duda de que la tecnolog¨ªa debe hacerlo, o de otra forma no funcionar¨ªa. Desde hace algunos a?os, los cient¨ªficos persiguen el sue?o de imitar a la Naturaleza tambi¨¦n en la escala nanom¨¦trica. Para ello, aunque han explorado una amplia variedad de materiales inorg¨¢nicos (por ejemplo nanotubos de carbono), mol¨¦culas org¨¢nicas y pol¨ªmeros, se han fijado tambi¨¦n en mol¨¦culas biol¨®gicas. Una de esas mol¨¦culas, quiz¨¢ la m¨¢s importante, es el ADN.

ADN materialista

La mol¨¦cula de ADN posee caracter¨ªsticas que la convierten en muy atractiva para su uso en nanotecnolog¨ªa. Su di¨¢metro es de solo 2 nan¨®metros, aunque su longitud puede ser mucho mayor. La variabilidad en la longitud permite que la mol¨¦cula sea r¨ªgidasi es corta (menos de 50 nan¨®metros), pero flexible, si es larga, lo que permite utilizar fragmentos cortos como soportes y otros largos, en cambio, como "hebras" para "tejer" estructuras. Existe tambi¨¦n una tecnolog¨ªa qu¨ªmica del ADN que permite sintetizarlo y modificarlo con facilidad. Por ¨²ltimo, las dos hebras de la mol¨¦cula de ADN se unen espont¨¢neamente entre s¨ª, si poseen secuencias de "letras" complementarias. Esta propiedad es muy importante para permitir dise?ar estructuras que se ensamblen de manera autom¨¢tica. Hay que precisar, no obstante, que el uso de ADN en nanotecnolog¨ªa no est¨¢ relacionado con su papel biol¨®gico como almac¨¦n de informaci¨®n gen¨¦tica, que se basa precisamente en la complementaridad de la secuencia de letras entre sus dos hebras. En nanotecnolog¨ªa, el ADN se utiliza, simplemente, como material biocompatible de construcci¨®n.

La capacidad de autoensamblaje de dos hebras de ADN de secuencia complementaria solo permitir¨ªa, no obstante, generar mol¨¦culas lineales. Para generar estructuras en dos o tres dimensiones, los investigadores buscaron generar ADN ramificado, no lineal, el cual, no obstante,tambi¨¦n existe en la Naturaleza y se produce en el momento de la replicaci¨®n de esta mol¨¦cula durante la divisi¨®n celular. En 1982, el cient¨ªfico Nadrian C. Seeman, inspir¨¢ndose en los grabados del pintor holand¨¦s M.C. Escher, fue el primero en imaginar la posibilidad de combinar varias mol¨¦culas peque?as de ADN ramificado, que pose¨ªan fragmentos cortosde secuencias complementarias en sus extremos, los cuales permit¨ªan su ensamblaje una vez puestas en contacto. Este investigador llev¨® a cabo su idea mediante la construcci¨®n, por primera vez, de un nanocubo hueco, formado por aristas de ADN, lo que es considerado hoy como el primer paso en el establecimiento del nuevo campo de la nanotecnolog¨ªa de ADN. Inmediatamente, Seeman propuso que una aplicaci¨®n potencial de estas nanoestructuras podr¨ªa ser su uso como "andamios"moleculares para posicionar otras mol¨¦culas en el espacio y facilitar as¨ª su manipulaci¨®n y estudio, lo que demostr¨® hace dos a?os.

Tras el nacimiento de la nanotecnolog¨ªa de ADN, la investigaci¨®n tom¨® impulso y el propio Seeman, junto con otros investigadores,desarrollaron nuevas t¨¦cnicas de ensamblaje de ADN en estructuras cada vez m¨¢s complejas y caprichosas. Sin embargo, continuaba sin ser posible el ensamblaje de estructuras con geometr¨ªa tridimensional elaborada, similar a las de muchas mol¨¦culas naturales. Un avance fundamental para alcanzar este objetivo fue realizado por Paul Rothemund, en 2006, inventor de la t¨¦cnica del Or¨ªgami de ADN, que tal vez podemos tambi¨¦n llamar adenoplaxia.

Plegados de dise?o

Para entender c¨®mo funciona el plegado artificial de ADN, imaginemos que tenemos una larga ristra de una sola de las tiras de velcro, por ejemplo, la que tiene los pelillos suaves(queen este ejemplo ser¨ªa como una larga mol¨¦cula de una sola hebra de ADN). Esta tira de velcro puede ser plegada en las formas que deseemos utilizando peque?os trozos de velcro complementario (el de los ganchitos m¨¢s duros) cuyas dos mitades pegaremos donde deseemos en dos puntos separados diferentes de la tira de velcro suave. De esta manera, podremos doblar a la tira larga de velcro de muchas maneras, produciendo formas de nuestra invenci¨®n. De la misma manera, una larga hebra de ADN puede plegarse utilizando trocitos de ADN de secuencias complementarias a las de distintas partes de esta hebra.

Muy recientemente, un perfeccionamiento de esta t¨¦cnica, desarrollado por investigadores del Instituto de Biodise?o de la Universidad de Arizona, ha permitido producir formas tridimensionales de nanodise?o, mediante hebras de ADN plegadas de esa manera. Estas formas incluyen cuencos en forma de ensaladera, ¨®valos tridimensionales en forma de balones de rugbi, o incluso un peque?o jarr¨®n de "nanoartesan¨ªa". Estos resultados han sido publicados en la revista Science.

Esta tecnolog¨ªa ofrece numerosas promesas como, por ejemplo, su empleo en la industria nanoelectr¨®nica o la generaci¨®n de nanom¨¢quinas con funciones espec¨ªficas. Habr¨¢ que esperar pero, probablemente, muchas de estas promesas ser¨¢n pronto realidad.

Jorge Laborda es Catedr¨¢tico de Bioqu¨ªmica y Biolog¨ªa Molecular en la Universidad de Castilla-La Mancha