Origami de ADN

ELorigami, o papiroflexia, es el arte del plegado de papel. Con imaginación 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 nanotecnología,se ha conseguido plegar también ADN para generar estructuras y objetos sorprendentes. Veamos cómo.

El objetivo central de la nanotecnología es el posicionamiento y organización de la materia con precisión cercana al nanómetro. Recordemos que un metro contiene mil millones de nanómetros y que una bacteria de tamaño medio puede medir unos 10.000 nanómetros, por lo que la nanotecnología, probablemente,alcanza el límite de lo que es posible manipular.

Sin embargo, la nanotecnología se encuentra en la base de los sistemas biológicos naturales, desde los flagelos bacterianos al cerebro humano, formados por estructuras que se ensamblan de manera automática. Se dice que el arte imita a la Naturaleza; no hay duda de que la tecnología debe hacerlo, o de otra forma no funcionaría. Desde hace algunos años, los científicos persiguen el sueño de imitar a la Naturaleza también en la escala nanométrica. Para ello, aunque han explorado una amplia variedad de materiales inorgánicos (por ejemplo nanotubos de carbono), moléculas orgánicas y polímeros, se han fijado también en moléculas biológicas. Una de esas moléculas, quizá la más importante, es el ADN.

ADN materialista

La molécula de ADN posee características que la convierten en muy atractiva para su uso en nanotecnología. Su diámetro es de solo 2 nanómetros, aunque su longitud puede ser mucho mayor. La variabilidad en la longitud permite que la molécula sea rígidasi es corta (menos de 50 nanómetros), pero flexible, si es larga, lo que permite utilizar fragmentos cortos como soportes y otros largos, en cambio, como "hebras" para "tejer" estructuras. Existe también una tecnología química del ADN que permite sintetizarlo y modificarlo con facilidad. Por último, las dos hebras de la molécula de ADN se unen espontáneamente entre sí, si poseen secuencias de "letras" complementarias. Esta propiedad es muy importante para permitir diseñar estructuras que se ensamblen de manera automática. Hay que precisar, no obstante, que el uso de ADN en nanotecnología no está relacionado con su papel biológico como almacén de información genética, que se basa precisamente en la complementaridad de la secuencia de letras entre sus dos hebras. En nanotecnología, el ADN se utiliza, simplemente, como material biocompatible de construcción.

La capacidad de autoensamblaje de dos hebras de ADN de secuencia complementaria solo permitiría, no obstante, generar moléculas lineales. Para generar estructuras en dos o tres dimensiones, los investigadores buscaron generar ADN ramificado, no lineal, el cual, no obstante,también existe en la Naturaleza y se produce en el momento de la replicación de esta molécula durante la división celular. En 1982, el científico Nadrian C. Seeman, inspirándose en los grabados del pintor holandés M.C. Escher, fue el primero en imaginar la posibilidad de combinar varias moléculas pequeñas de ADN ramificado, que poseían fragmentos cortosde secuencias complementarias en sus extremos, los cuales permitían su ensamblaje una vez puestas en contacto. Este investigador llevó a cabo su idea mediante la construcción, 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 nanotecnología de ADN. Inmediatamente, Seeman propuso que una aplicación potencial de estas nanoestructuras podría ser su uso como "andamios"moleculares para posicionar otras moléculas en el espacio y facilitar así su manipulación y estudio, lo que demostró hace dos años.

Tras el nacimiento de la nanotecnología de ADN, la investigación tomó impulso y el propio Seeman, junto con otros investigadores,desarrollaron nuevas técnicas de ensamblaje de ADN en estructuras cada vez más complejas y caprichosas. Sin embargo, continuaba sin ser posible el ensamblaje de estructuras con geometría tridimensional elaborada, similar a las de muchas moléculas naturales. Un avance fundamental para alcanzar este objetivo fue realizado por Paul Rothemund, en 2006, inventor de la técnica del Orígami de ADN, que tal vez podemos también llamar adenoplaxia.

Plegados de diseño

Para entender cómo 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 sería como una larga molécula de una sola hebra de ADN). Esta tira de velcro puede ser plegada en las formas que deseemos utilizando pequeños trozos de velcro complementario (el de los ganchitos más 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 invención. 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 técnica, desarrollado por investigadores del Instituto de Biodiseño de la Universidad de Arizona, ha permitido producir formas tridimensionales de nanodiseño, mediante hebras de ADN plegadas de esa manera. Estas formas incluyen cuencos en forma de ensaladera, óvalos tridimensionales en forma de balones de rugbi, o incluso un pequeño jarrón de "nanoartesanía". Estos resultados han sido publicados en la revista Science.

Esta tecnología ofrece numerosas promesas como, por ejemplo, su empleo en la industria nanoelectrónica o la generación de nanomáquinas con funciones específicas. Habrá que esperar pero, probablemente, muchas de estas promesas serán pronto realidad.

Jorge Laborda es Catedrático de Bioquímica y Biología Molecular en la Universidad de Castilla-La Mancha