El software permite a los investigadores crear pequeños objetos redondeados a partir del ADN. He aquí por qué eso es genial

Maravíllate con las diminutas estructuras a nanoescala que emergen de los laboratorios de investigación de la Universidad de Duke y la Universidad Estatal de Arizona, y es fácil imaginar que estás hojeando un catálogo de la cerámica más pequeña del mundo.

Un nuevo artículo revela algunas de las creaciones de los equipos: pequeños jarrones, tazones y esferas huecas, una escondida dentro de la otra, como artículos para el hogar para una muñeca rusa.

Pero en lugar de hacerlos de madera o arcilla, los investigadores diseñaron estos objetos a partir de moléculas de ADN parecidas a hilos, dobladas y plegadas en objetos tridimensionales complejos con precisión nanométrica.

Estas creaciones demuestran las posibilidades de un nuevo programa de software de código abierto desarrollado por Duke Ph.D. estudiante Dan Fu con su asesor John Reif. Descrito el 23 de diciembre en el diario Avances de la cienciael software permite a los usuarios tomar dibujos o modelos digitales de formas redondeadas y convertirlos en estructuras 3D hechas de ADN.

Las nanoestructuras de ADN fueron ensambladas y fotografiadas por los coautores Raghu Pradeep Narayanan y Abhay Prasad en el laboratorio del profesor Hao Yan en el estado de Arizona. Cada diminuto objeto hueco no mide más de dos millonésimas de pulgada de ancho. Más de 50.000 de ellos cabrían en la cabeza de un alfiler.

Pero los investigadores dicen que son más que simples nanoesculturas. El software podría permitir a los investigadores crear pequeños contenedores para administrar medicamentos o moldes para moldear nanopartículas de metal con formas específicas para células solares, imagenes medicas y otras aplicaciones.

Para la mayoría de las personas, el ADN es el anteproyecto de la vida; las instrucciones genéticas de todos los seres vivos, desde los pingüinos hasta los álamos. Pero para equipos como el de Reif y el de Yan, el ADN es más que un portador de información genética: es el código fuente y el material de construcción.

Hay cuatro «letras» o bases en el código genético del ADN, que se emparejan de manera predecible en nuestras células para formar los peldaños de la escalera del ADN. Son estas estrictas propiedades de emparejamiento de bases del ADN (A con T y C con G) las que los investigadores han elegido. Al diseñar hebras de ADN con secuencias específicas, pueden «programar» las hebras para que se junten en diferentes formas.

El método consiste en plegar una o unas pocas piezas largas de ADN monocatenario, de miles de bases de largo, con la ayuda de unos cientos de cadenas cortas de ADN que se unen a secuencias complementarias en las cadenas largas y las «grapan» en su lugar.

Los investigadores han estado experimentando con el ADN como material de construcción desde la década de 1980. Las primeras formas 3D fueron simples cubos, pirámides, balones de fútbol, ​​formas geométricas con superficies gruesas y en bloques. Pero diseñar estructuras con superficies curvas más parecidas a las que se encuentran en la naturaleza ha sido complicado. El objetivo del equipo es ampliar la gama de formas que son posibles con este método.

Para hacer eso, Fu desarrolló un software llamado ADNxiS. El software se basa en una forma de construir con ADN descrito en 2011 por Yan, quien fue un posdoctorado con Reif en Duke hace 20 años antes de unirse a la facultad en Arizona State. Funciona enrollando una larga hélice doble de ADN en anillos concéntricos que se apilan entre sí para formar los contornos del objeto, como si se usaran espirales de arcilla para hacer una vasija. Para fortalecer las estructuras, el equipo también hizo posible reforzarlas con capas adicionales para aumentar la estabilidad.

Fu muestra la variedad de formas que pueden hacer: conos, calabazas, hojas de trébol. DNAxiS es la primera herramienta de software que permite a los usuarios diseñar tales formas automáticamente, utilizando algoritmos para determinar dónde colocar las «grapas» de ADN cortas para unir los anillos de ADN más largos y mantener la forma en su lugar.

«Si hay muy pocos, o si están en la posición incorrecta, la estructura no se formará correctamente», dijo Fu. «Antes de nuestro software, la curvatura de las formas hacía que este fuera un problema especialmente difícil».

Dado un modelo de forma de hongo, por ejemplo, la computadora arroja una lista de hebras de ADN que se autoensamblarían en la configuración correcta. Una vez que las hebras se sintetizan y se mezclan en un tubo de ensayo, el resto se encarga de sí mismo: al calentar y enfriar la mezcla de ADN, en tan solo 12 horas «se pliega mágicamente en la nanoestructura de ADN», dijo Reif.

Las aplicaciones prácticas de su software de diseño de ADN en el laboratorio o la clínica aún pueden tardar años, dijeron los investigadores. Pero «es un gran paso adelante en términos de diseño automatizado de nuevas estructuras tridimensionales», dijo Reif.