El motor molecular es un paso importante en el «origami de ADN»

Los motores están construidos a partir de hebras de ADN dispuestas en plataformas triangulares unidas a un largo brazo giratorio.Crédito: A.-K. puñetazo et al./Naturaleza (CC POR 4.0)

Los físicos construyeron un motor a escala molecular completamente a partir de hebras de ADN y lo usaron para almacenar energía enrollando un «resorte» de ADN.

No es el primer nanomotor de ADN, pero «ciertamente es el primero en hacer un trabajo mecánico medible», dice Hendrik Dietz, biofísico de la Universidad Técnica de Munich en Alemania, cuyo equipo informó sobre los resultados el 20 de julio en La naturaleza1. La técnica se suma a una lista creciente de trucos de «origami de ADN» que se utilizan para construir estructuras a escala molecular. El enfoque tiene como objetivo encontrar aplicaciones en áreas como la síntesis química y la administración de fármacos.

Las células vivas están llenas de máquinas moleculares, incluidos motores rotativos; estos realizan una variedad de tareas, desde agitar el flagelo de una bacteria hasta producir moléculas de ATP que constituyen las reservas de energía de una célula. Estos motores a menudo usan mecanismos de trinquete, similares a las ruedas dentadas en los movimientos de un reloj, que permiten la rotación en una dirección pero no en la otra.

Como todo lo demás en la célula, la maquinaria biológica se ve continuamente sacudida por el movimiento browniano: el movimiento constante y aleatorio de las moléculas y otras partículas en el citoplasma. A menudo, cuando las partículas chocan, pueden transmitirse un «pulso» de energía entre sí.

Dietz y sus colegas querían diseñar un motor a partir del ADN que pudiera ser impulsado por un movimiento browniano similar a las máquinas basadas en proteínas que se encuentran en las células. En la técnica de origami de ADN que utilizaron, se mezclan bucles de ADN monocatenario de un virus bacteriófago en una solución con cadenas cortas de ADN sintético; estos están diseñados para coincidir con las secuencias de nucleobases de sitios específicos en el genoma viral. Las piezas cortas se unen a las hebras largas y las obligan a doblarse en la forma deseada. Dado que esta técnica fue primera manifestación en 20062los investigadores construyeron origami de ADN de complejidad creciente.

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patadas y golpes

Dietz y su equipo construyeron plataformas triangulares a partir de ADN, cada una de las cuales tenía una barra que sobresalía del medio. Pegaron estas estructuras a una superficie de vidrio y agregaron largos brazos de ADN, que se unieron a las plataformas de una manera que les permitía girar alrededor de la barra.

Para crear un efecto de trinquete, los investigadores moldearon las plataformas con protuberancias que dificultaron esta rotación. Solo las patadas proporcionadas por el movimiento browniano permitieron que los brazos superaran los golpes y rotaran, generalmente media vuelta.

Sin más intervención, la rotación iría y vendría al azar. Entonces, el equipo también sumergió dos electrodos en la solución y pasó una corriente eléctrica en direcciones alternas. El cambio de voltaje alteró el paisaje energético experimentado por los brazos largos del ADN y lo hizo girar en una dirección más favorable, a través de un mecanismo conocido como trinquete parpadeo browniano.

Esto transformó los dispositivos pasivos en verdaderos motores: las imágenes del microscopio demostraron que, en estas condiciones, cada brazo, aunque se agitaba aleatoriamente, continuaba girando en la misma dirección en promedio. (La dirección dependía de la orientación precisa de la base triangular en relación con los electrodos).

Como un reloj para dar cuerda

Por sí solo, el motor a nanoescala no hace más que superar el arrastre de la solución circundante. «Es como cuando nadas: avanzas y haces mucho trabajo, y se disipa en el agua», dice Dietz. Pero para demostrar que también podría hacer un trabajo potencialmente útil, los investigadores dieron un paso más: conectaron otra cadena de ADN a su rotor y la enrollaron como el resorte en espiral que se usa para hacer girar los engranajes de un reloj mecánico. Tal mecanismo podría ayudar a las nanomáquinas a almacenar energía o disparar sobre otros componentes mecánicos, dice Dietz.

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«Es un logro notable para el equipo, en primer lugar, poder diseñar un sistema que se pliega en una estructura tan compleja y funcional con origami de ADN y, en segundo lugar, poder caracterizar su dinámica tan a fondo», dice David Leigh, químico de la Universidad de Manchester, Reino Unido. Usando un enfoque muy diferente, Leigh y su equipo demostraron recientemente un motor rotatorio a escala atómica, que giraba alrededor de un solo enlace molecular.3.

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