Vídeo: Así es como funciona el pequeño dispositivo. © Mathias Centola, Universidad de Bonn
Se abre y luego se contrae una y otra vez: los investigadores han creado un motor a partir de bloques de ADN que puede realizar movimientos pulsantes mediante un sofisticado mecanismo. Una ARN polimerasa tira de una hebra de ADN entre dos partes de una estructura de resorte en forma de V y luego, de repente, suelta la «cuerda de tracción». Los científicos afirman que este diseño podría utilizarse en el futuro como unidad motriz para la construcción de máquinas moleculares y robots.
Las construcciones masivas pueden mover objetos grandes y pesados, pero algunas aplicaciones técnicas también requieren máquinas y sistemas robóticos muy pequeños. El perfeccionamiento de estructuras tiene una larga tradición. Sin embargo, en los últimos años los investigadores se han aventurado en campos cada vez más extremos: ahora incluso construyen máquinas y robots a nanoescala. Según la visión de futuro, estas pequeñas cosas podrían, entre otras cosas, realizar tareas médicas en el cuerpo. Este tema también forma parte del artículo de portada “Los nuevos robots” de la edición de noviembre de 2023 de bild der Wissenschaft.
El diseño de algunas de estas nanomáquinas utiliza una técnica llamada origami de ADN. Los ingenieros moleculares utilizan los nucleótidos del material genético como material de construcción. Debido a su especial actividad de conexión entre sí, estas unidades se pueden ensamblar en construcciones complejas mediante el proceso. De esta forma es posible crear estructuras con estructuras funcionales y características mecánicas específicas. Pero aún queda un aspecto por considerar en la transformación en máquinas: el desarrollo de sistemas de propulsión ha demostrado ser un gran desafío para la ingeniería en el nanomundo. El equipo internacional dirigido por la Universidad de Bonn presenta ahora una posible solución al problema: los investigadores construyeron con tecnología de origami de ADN un nanomotor que podría instalarse como unidad de accionamiento en construcciones moleculares.
Un dispositivo rápido hecho de módulos genéticos
La estructura, que mide sólo unos 60 nanómetros, consta de dos componentes alargados que están conectados a una estructura en forma de V mediante un elemento de conexión curvo. En estado relajado, esta construcción de resorte adopta un ángulo predeterminado determinado. Para ponerlos bajo tensión, los científicos han abusado hábilmente de un elemento de la genética: la ARN polimerasa. Esta enzima se adhiere a las cadenas de ADN y luego se mueve a lo largo de ellas mediante propulsión mecánica. Hace una copia del ADN utilizando nucleótidos del medio circundante.
«Hemos tomado una ARN polimerasa y la hemos acoplado a una de las dos partes de nuestra nanomáquina», explica el autor principal Michael Famulok, de la Universidad de Bonn. “También estiramos una hebra de ADN entre las piezas en las inmediaciones. Luego, la polimerasa agarra esta hebra para copiarla. Ella lo arrastra consigo. La parte que aún no se ha eliminado se vuelve cada vez más corta. Esto hace que la segunda pieza se acerque cada vez más a la primera. Esto genera tensión en la estructura en forma de V”, explica Famulok.
La polimerasa tira de la cuerda y luego la suelta.
Para que el mecanismo de resorte se relaje repentinamente, los científicos incorporaron un «elemento de liberación» en el cordón de tracción del ADN: poco antes del final, contiene una secuencia específica de componentes básicos del ADN, a los que reacciona la polimerasa: cuando los encuentra de esta manera – dicha secuencia de terminaciones, se desprende del cable. La energía de tensión acumulada se libera entonces de repente: los dos elementos alargados del mecanismo de resorte se abren de golpe. La secuencia inicial del hilo se acerca de nuevo a la polimerasa y el proceso de tensión puede comenzar de nuevo. «Esto significa que nuestro nanomotor realiza un movimiento pulsante», afirma el primer autor Mathias Centola, de la Universidad de Bonn.
La ARN polimerasa puede actuar en el sistema, pero ¿de dónde viene la energía? Como explica el equipo, proviene de la “sopa de letras” química a partir de la cual la polimerasa produce transcripciones: una vez incorporados, los nucleótidos proporcionan la energía para la propulsión. Esto se debe a que cada una de estas moléculas tiene tres grupos fosfato, dos de los cuales son eliminados por la polimerasa durante la incorporación. Esto libera energía, que utiliza para conectar la letra y el progreso. “Por eso nuestro motor consume trifosfatos de nucleótidos”, dice Famulok.
Al observar los nanomotores individuales bajo un microscopio electrónico, el equipo pudo confirmar que todo funciona como sugiere la teoría: los movimientos bruscos de las unidades eran claramente visibles. Los investigadores ya han demostrado que el motor puede acoplarse a otras estructuras de origami de ADN. Ahora existe potencial para los accionamientos en el nanomundo: “A largo plazo, el motor podría convertirse en el corazón de nanomáquinas complejas. “Pero todavía queda mucho trabajo por hacer hasta entonces”, concluye Famulok.
Fuente: Universidad de Bonn, artículo especializado: Nature Nanotechnology, doi: 10.1038/s41565-023-01516-x
