Nano robots de ADN, diseñados en minutos

Foto: Nanodispositivo de ADN hecho para parecerse a un avión en movimiento. El «avión» es 1000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. Crédito: Universidad Estatal de Ohio.

Por Hermes Lavallén

El ADN es una de las moléculas más impresionantes de la naturaleza al contener en su tamaño microscópico las instrucciones necesarias para crear casi todos los tipos de forma de vida en la Tierra. Los científicos están buscando formas de utilizar el ADN al máximo, no sólo para guardar información, sino también para crear componentes físicos en un conjunto de máquinas biológicas.

Los científicos creen que, en el futuro, pequeños robots basados en ADN y otros nanodispositivos administrarán medicamentos dentro de nuestros cuerpos, detectarán la presencia de patógenos mortales y ayudarán a fabricar productos electrónicos cada vez más pequeños.

Los investigadores dieron un gran paso hacia ese futuro al desarrollar una nueva herramienta que puede diseñar robots y nanodispositivos de ADN mucho más complejos que nunca antes en una fracción del tiempo.

En un artículo publicado el 19 de abril de 2021 en la revista Nature Materials, investigadores de la Universidad Estatal de Ohio, dirigidos por el ex estudiante de doctorado en ingeniería Chao-Min Huang, revelaron un nuevo software al que llaman MagicDNA.

El software ayuda a los investigadores a diseñar formas de tomar pequeñas hebras de ADN y combinarlas en estructuras complejas con partes como rotores y bisagras que pueden moverse y completar una variedad de tareas, incluida la administración de medicamentos.

Los investigadores han estado haciendo esto durante varios años con herramientas más lentas con tediosos pasos manuales, dijo Carlos Castro, coautor del estudio y profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial en el estado de Ohio.

“Pero ahora, los nanodispositivos que antes nos habían llevado varios días diseñar, ahora nos toman solo unos minutos”, dijo Castro.

Foto: Hai-Jun Su y Carlos castro (Universidad Estatal de Ohio).

Y ahora los investigadores pueden crear nanodispositivos mucho más complejos y útiles.

«Anteriormente, podíamos construir dispositivos con hasta seis componentes individuales y conectarlos con juntas y bisagras y tratar de hacerlos ejecutar movimientos complejos», dijo el coautor del estudio Hai-Jun Su, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en Ohio State. .

“Con este software, no es difícil hacer robots u otros dispositivos con más de 20 componentes que sean mucho más fáciles de controlar. Es un gran paso en nuestra capacidad para diseñar nanodispositivos que puedan realizar las acciones complejas que queremos que realicen ”.

El software tiene una variedad de ventajas que ayudarán a los científicos a diseñar nanodispositivos mejores y más útiles y, esperan los investigadores, a acortar el tiempo antes de su uso diario.

Una ventaja es que permite a los investigadores realizar todo el diseño realmente en 3D. Las herramientas de diseño anteriores solo permitían la creación en 2D, lo que obligaba a los investigadores a mapear sus creaciones en 3D. Eso significaba que los diseñadores no podían hacer que sus dispositivos fueran demasiado complejos.

El software también permite a los diseñadores construir estructuras de ADN «de abajo hacia arriba» o «de arriba hacia abajo».

En el diseño «de abajo hacia arriba», los investigadores toman hebras individuales de ADN y deciden cómo organizarlas en la estructura que desean, lo que permite un control preciso sobre la estructura y las propiedades del dispositivo local.

Pero también pueden adoptar un enfoque «de arriba hacia abajo» en el que deciden cómo se debe dar forma geométrica a su dispositivo general y luego automatizan cómo se unen las hebras de ADN.

La combinación de los dos permite aumentar la complejidad de la geometría general mientras se mantiene un control preciso sobre las propiedades de los componentes individuales, dijo Castro.

Otro elemento clave del software es que permite simulaciones de cómo los dispositivos de ADN diseñados se moverían y operarían en el mundo real.

“A medida que se hacen más complejas estas estructuras, es difícil predecir exactamente cómo se verán y cómo se comportarán”, dijo Castro.

“Es fundamental poder simular cómo funcionarán realmente nuestros dispositivos. De lo contrario, perdemos mucho tiempo «.

Como demostración de la capacidad del software, la coautora Anjelica Kucinic, estudiante de doctorado en ingeniería química y biomolecular en el estado de Ohio, dirigió a los investigadores en la creación y caracterización de muchas nanoestructuras diseñadas por el software.

Algunos de los dispositivos que crearon incluían brazos robóticos con garras que pueden recoger objetos más pequeños y una estructura del tamaño de cien nanómetros que parece un avión (el «avión» es 1000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano).

La capacidad de fabricar nanodispositivos más complejos significa que pueden hacer cosas más útiles e incluso realizar múltiples tareas con un solo dispositivo, dijo Castro.

Por ejemplo, una cosa es tener un robot de ADN que, después de la inyección en el torrente sanguíneo, pueda detectar un determinado patógeno.

“Pero un dispositivo más complejo no solo puede detectar que está sucediendo algo malo, sino que también puede reaccionar liberando un medicamento o capturando el patógeno”, dijo.

Foto: Un nanodispositivo de brazo robótico con garra que puede recoger objetos más pequeños (Universidad Estatal de Ohio).

“Queremos poder diseñar robots que respondan de una manera particular a un estímulo o se muevan de una manera determinada”.

Castro dijo que espera que durante los próximos años, el software MagicDNA se utilice en universidades y otros laboratorios de investigación. Pero su uso podría expandirse en el futuro.

“Cada vez hay más interés comercial en la nanotecnología del ADN”, dijo. «Creo que en los próximos cinco a 10 años comenzaremos a ver aplicaciones comerciales de nanodispositivos de ADN y somos optimistas de que este software puede ayudar a impulsar eso».

Joshua Johnson, quien recibió su doctorado en biofísica en el estado de Ohio, también fue coautor del artículo.

La investigación fue apoyada por subvenciones de la National Science Foundation.

Foto: Avión, hecho de hebras de ADN, 1000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano (Universidad Estatal de Ohio).

FUENTE: SciTechDaily

Referencia: “Integrated computer-aided engineering and design for DNA assemblies” by Chao-Min Huang, Anjelica Kucinic, Joshua A. Johnson, Hai-Jun Su and Carlos E. Castro, 19 April 2021, Nature Materials.