Anar al contingut

Nanotecnología de ADN

De L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià
Nanotecnología de ADN
La nanotecnología d'ADN consta del disseny i creació artificial de nanoestructuras a partir d'àcits nucléicos. Un eixemple pot ser este tetraedre construït a partir de ADN.[1] Cada cantó del tetraedre està formada per 20 parells de bases de ADN de cadena doble i cada vèrtiç és una unió de tres braços. Les 4 bri de ADN que formen les 4 cares del tetraedre es presenten en còdics de colors.

La nanotecnología de ADN involucra el disseny i la construcció artificial d'estructures a partir d'àcits nucleicos en el propòsit d'usos tecnològics. En la nanotecnología d'ADN, els àcit nucleeicos són usats com a materials (no-biològics) "de construcció" i no com les molècules portadores d'informació genètica que són en les cèlules. Investigadors en este camp han creat estructures estàtiques tals com a rets cristalines de dos i tres dimensions, nanotubos, poliedres i figures arbitràries, aixina com màquines funcionals a nivell molecular i computació basada en ADN. Este camp d'investigació s'ha començat a utilisar com una ferramenta per a resoldre problemes de ciència bàsica, problemes en biologia estructural i en biofísica, incloent les aplicacions de cristalografia de rajos X i espectroscopía de proteïnes per a la determinació de les mateixes. Aplicacions potencials a nivell molecular en electrònics i en nanomedicina també estan sent investigats.

El concepte de "nanotecnología de ADN" va ser falcat per primera volta a principis de 1980 per Nadrian Seeman i no va ser fins a mediats dels 2000 que el concepte es va definir com un camp d'investigació i va començar a guanyar atenció. El fet de poder utilisar als àcit nucleicos com a materials de construcció radica en les estrictes regles de apareament entre les bases nitrogenades, lo que permet que bri en seqüències complementàries de ADN s'unixquen i formen estructures rígides i fortes de cadena doble. Com a resultat s'obtenen estructures complexes que es ensamblan selectivament gràcies al disseny racional en la seqüència de bases i que poden ser controlades a nanoescala. Existixen diversos métodos d'ensamblage per a construir estes estructures. Per eixemple, les estructures basades en rajoletes (les quals es construïxen a partir d'estructures més menudes), el método de el "ADN origami" (en el qual les estructures es doblen), o les estructures reconfigurables (les quals es poden reestructurar a partir de tècniques de desplaçament en les cadenes). A pesar de que el nom d'esta ciència fa referència específicament a l'us de el ADN com a material de construcció, s'ha usat també l'ARN com a material de construcció per lo que un atre nom alternatiu que se li dona és el de nanotecnología de àcit nucléicos.

Conceptes Fonamentals

[editar | editar còdic]
Estes 4 bri s'associen en un braç de ADN de 4 unions perque esta estructura maximizar el número de correcte apareament entre les bases, en A apareada a T i C apareada a G.[2] Veja esta image per a un model més realiste d'una unió de 4 braços en tercera dimensió.
Esta complex supramolecular d'entrecreuat doble (DX) consistix en 5 cadenes de ADN senzilles que quan es aparean entre elles formen 2 dominis d'hèliç doble (un de superior i l'atre inferior). Existix un punt de creuament en el que les cadenes creuen entre sí del domini inferior al domini superior i viceversa.[2]

Propietats dels Àcit Nucleicos

[editar | editar còdic]

La nanotecnología es definix normalment com l'estudi de materials i dispositius en característiques en una escala menor a 100 nanómetros. La tecnologia de ADN, és específicament un eixemple de disseny d'ensamblage molecular tipo bottom-up en el que els components moleculars espontàneament s'organisen en estructures estables. Esta estructura particular és induïda per les propietats físiques i químiques dels materials de construcció que els investigadors/dissenyadors seleccionen.[3] En el cas de la nanotecnología de ADN, els materials de construcció són cadenes d'àcits nucleicos, com lo és el ADN. Estes cadenes són casi sempre sintètiques i s'utilisen casi sempre fora del context de la cèlula viva. El ADN és un material de construcció molt apte per a les construccions a nanoescala ya que el apareament entre dos cadenes d'àcit nucleico per a formar nanoestructuras específiques depén de la simple regla entre el apareament de bases que, hui en dia, és entesa a la perfecció. Estes qualitats fan que l'ensamblage d'estructures de àcit nucleicos siga fàcil de controlar durant el disseny i la construcció. Esta propietat de apareament entre bases és absent en un atre tipo de materials usats en la nanotecnología com les proteïnas (per al qual el disseny és molt complicat), i algunes nanopartículas, les quals no tenen la capacitat d'un ensamblage induït-específic.[4]

L'estructura d'una molècula d'àcit nucleico consistix en una seqüència de nucleòtits que pot ser distinguida segons les bases nitrogenades que continga. En el ADN, poden presentar-se quatre bases que són: adenina (A), timina (T), guanina (G) i citocina (C). Els àcit nucleicos tenen la propietat de que solament dos molècules s'uniran una a una atra, si les cadenes són complementàries per a formar d'esta manera la doble cadena. Açò significa que una base es aparea en la seua base complementària: A solament es aparea en T i C solament es aparea en G.[5] Ya que el correcte apareament entre les bases és energèticament favorable (termodinámicamente favorable), les cadenes d'àcits nucleicos s'unixen soles unes a atres en la manera en la que s'maximizar el número correcte de apareamientos. Açò implica llavors que la seqüència de bases en un sistema de cadenes determina el patró de cóm estes s'uniran i per lo tant, permet el fàcil control de l'estructura en general. En la tecnologia de ADN, les seqüències de les cadenes són dissenyades llògicament pels investigadors per a que el apareament entre bases i les seues interaccions cause el plegament desijat per a obtindre l'estructura desijada.[6][7] A pesar de que el ADN és el material de construcció més utilisat, es poden realisar estructures a partir d'atres materials com el ARN i l'àcit peptidonucleico (per les seues sigles en anglés, PNA).[8]

Subcampos de la Nanotecnología de ADN

[editar | editar còdic]

La nanotecnología de ADN es pot classificar en dos camps: la nanotecnología estrucutral de ADN i la nanotecnología dinàmica de ADN. La nanotecnología estructural de ADN, normalment abreviada SDN per les seues sigles en anglés, s'enfoca en sintetisar i caracterisar complexos de àcit nucleicos aixina com caracterisar tipos de materials que generen ensamblages estàtics i en equilibri. Per un atre costat, la nanotecnología dinàmica de ADN s'enfoca a complexos no estàtics en un comportament de no-equilibri, tals com els que poden reconfigurarse segons estímuls físics i químics. Alguns complexos tals com els dispositius nanomecánicos d'àcits nucléicos combinen característiques d'abdós.[9][10]

Els complexos que es construïxen en el camp de la nanotecnología estructural de ADN usen àcits nucleicos topológicamente hibridados que contenen ligaciones (unions). En contrast, la majoria de el ADN biològic existix en una forma no híbrida, és dir, en la seua forma de cadena doble. Una de les estructures híbrides més simples és la ligación (unió) de quatre braços que consistix en quatre cadenes híbrides individuals de ADN que es aparean per complementarietat en certs punts específics denotats per un patró. A diferència de l'estructura natural d'una ligación de quatre braços (denominada Holliday Junction), en l'estructural artificial immòvil cada braç té una seqüència de bases diferent causant que el punt de ligación o creuament puga ser programat en una certa posició.

Vàries unions es poden combinar en el mateix complex. Tal és el cas dels motius estructurals de doble creuament DX, els quals contenen dos dominis helicoidals en bri paralels individuals que creuen entre els dominis en dos punts. Cada punt és en sí mateixa una unió topològica de quatre braços, pero llimitada a una sola orientació, proporcionant d'esta manera una rigidea que fa que el DX siga el motiu estructural més utilisat i adequat en la construcció de complexos de ADN grans.

La branca dinàmica de la nanotecnología de ADN usa un mecanisme cridat desplaçament de cadena mediat en punts de respal el qual és un mecanisme que permet que els complexos basats en àcits nucleicos es puguen reconfigurar en resposta a l'adició d'una nova cadena de àcit nucleicos. En este procés, un bri creixent d'àcits nucleicos s'unix als extrems pegajosos (també coneguts com a extrems adhesius) d'una cadena doble preexistente per a després desplaçar una dels dos bri de la cadena original per mig d'un procés denominat "migració de branca". El resultat final és que una dels bri de la cadena original és intercanviada per una atra nova.[8] Ademés, les estructures o complexos reconfigurables poden ser construïts en l'ajuda de molècules funcionals tals com la desoxirriboenzima i la riboenzima, les quals són enzimes capaces de catalizar reaccions químiques i aptámeros que es poden unir a proteïnes específiques o a molècules menudes.[11]

Nanotecnología estructural de ADN

[editar | editar còdic]

La nanotecnología estructural de ADN (moltes voltes abreviada en anglés com SDN), s'enfoca en sintetisar i caracterisar complexos d'àcits nucleicos i materials a on l'ensamblage es realisa en un equilibri estàtic. La doble cadena d'àcits nucleicos té una estructura tridimensional geomètrica i robusta que fa possible la predicció del disseny d'estructures més complexes. Este tipo d'estructures han segut recentment creades en dos i tres dimensions, aixina com de forma periòdica i aperiódica.[9]

Entramats de ADN

[editar | editar còdic]
Esquerra, un model de "rajoletes" de ADN utilisat per a construir una ret de celosías bidimensional. Dreta, apany de celosías vist des d'un microscopi electrònic.[12][13]

Els complexos d'àcits nucleicos menuts poden ser dissenyats en "extrems pegajosos" i ser combinats en celosías de dos dimensions que continguen un patró teselado construït a partir de molècules (que poden ser considerades com a rajoletes).[9] L'eixemple més recent d'este tipo de complexos és aquell en que s'utilisa l'estructura DX (doble entrecreuat) justament com a rajoleta, a on cada estructura forma part de la celosía ya que conté quatre extrems pegajosos que poden unir-se entre sí per a formar una "ret" cristalina rígida bidimensional de ADN. [14][15] Apanys en dos dimensions han segut construïts a partir d'atres motius també, incloent l'apany "Holliday",[16] i atres apanys basats en el motiu DX que fan us d'esquemes de doble cohesió scheme.[17][18] Les dos imàgens superiors mostren eixemples d'entramats basats en rajoletes de motius.

Es poden crear apanys en dos dimensions en estructures aperiódicas l'ensamblage de les quals requerix d'algoritmes específics que generalment es programen computacionalment. Les rajoletes "DX" poden ser construïts en extrems pegajosos a l'elecció de qui els dissenye actuant d'esta forma com "rajoletes de Wang". S'ha demostrat que un apany DX l'ensamblage del qual codifica una operació XOR permet que l'apany de ADN genere de forma autònoma un fractal que es coneix com Triàngul de Sierpinski. La tercera image a la dreta mostra este tipo d'apany.[19] Un atre sistema que també ha segut estudiat és el del contador binario, en el qual l'apany està codificat per número binario creixents. Abdós eixemples, (XOR i contador binario) mostren com la programació d'algoritmes pot ser incorporada a la creació d'apanys de àcit nucléicos.[20]

Els apanys de tipo DX han segut utilisats per a formar nanotubos buits en diàmetros d'entre de 4 a 20 nm per mig d'entramats que es curven entre sí.[21] Estos nanotubos són similars en forma i tamany als nanotubos de carbono, solament que estos no són conductors elèctrics com els de carbono, per lo que la seua modificació i apareament en atres estructures és molt més fàcil.[22] Un dels tants esquemes utilisats per a construir nanotubos es basa en usar els motius DX que es curven en sí mateixos.[23] Quan s'usen motius com a rajoletes d'una sola cadena la rigidea dels tubos són una propietat que emergix una volta que estos es curven en sí mateixos.[24]

La creació d'entramats tridimensionals a partir de ADN ha segut la meta alcançada més recent de la nanotecnología, ya que estos suponien un difícil repte de portar a terme. L'èxit es va alcançar en el 2009, quan científics varen decidir utilisar un motiu que es basava en el concepte de tensegridad, el qual consta en un balanç entre tensió i compressió.[25]

Estructures discretes

[editar | editar còdic]

Varis investigadors han sintetisat una gran cantitat de complexos tridimensionals en formes i conexions de poliedres, gavetes i octaedres lo que significa que els dúplex de ADN marquen els vèrtiços d'estes estructures.[26] No obstant, les construccions de poliedres són molt difícils de realisar ya que es requerixen múltiples ligaciones i passos de síntesis en fases sòlides per a crear-los.[27] Treballs recents han reportat que les construccions d'este tipo d'estructures són més fàcils hui en dia.[28] Per eixemple, els octaedres fets de cadenes simples dissenyades per a doblar-se en la conformació correcta,[29] i els tetraedres que pot ser construïts a partir de quatre cadenes de ADN en un simple pas, com es mostra al principi d'este artícul.[1]

Les nanoestructuras de figures arbitràries i irregulars són usualment construïdes per mig del método de origami de ADN. Estes estructures utilisen llarcs bri de virus com a bastides, les quals permeten que les cadenes originals es doblen en la figura desijada segons se'ls haja dissenyat computacionalment creant cadenes curtes "engrapadas". Este método té la ventaja de ser senzill al moment de dissenyar ya que les seqüències de àcit nucléicos són predeterminades per la seqüència de les cadenes de la bastida (en anglés, scaffold) lo que implica que no és necessària una alta purea i una alta estequiometría a diferència de lo que succeïx en la majoria dels métodos d'ensamblage a on sí són necessaris estos dos atributs. La primera estructura que es va crear en el método de el ADN origami va ser la d'una "carita feliç" en estructura bidimensional i un borrador del mapa de l'hemisferi oest.[26] Estructures sòlides tridimensionals poden ser creades usant hèlices paraleles de ADN organisades en un patró de "panal"[30] i també, les estructures en forma de "carita feliç" en dos dimensions pot ser dissenyades per a superpondre's i formar una estructura hueca tridimensional semblada a una caixa de cartó. Esta estructura pot ser programada per a obrir-se i tancar-se segons estímuls, donant-los un potencial increible per a ser utilisades com a càpsules moleculars.[31][32]

Ensamblage en plantilles

[editar | editar còdic]

Les estructures de àcit nucleicos poden dissenyar-se per a incorporar (hostajar) atres molècules que no necessàriament siguen d'àcits nucleicos que normalment es diuen heteroelementos els quals inclouen: proteïnes, nanopartículas metàliques, punts quàntics i fullerenos. Açò permet la construcció de materials i dispositius en una àmplia gama de funcionalitats, molt més gran de la que tenen els àcits nucleicos per sí mateixos. La meta és usar la propietat de autoensamblaje dels àcits nucleicos per a "calcar" i associar atres nanopartículas a estes estructures i que puguen coexistir, controlant d'esta manera la seua posició i orientació.[26][33]

Molts d'estos métodos usen una unió covalente per mig de oligonucleótidos en amidas o tiolés (grups funcionals que permeten l'unió de heteroelementos). Esta unió covalente ha segut utilisada per a afegir partícules d'or.[34] i per a organisar proteïnes com l'estreptavidina en patrons específics en apanys tipo DX.[35][36] Els nanotubos de carbono han demostrat ser bons hospederos per a cert tipo de molècules actuant com a dispositius electrònics moleculars.[37] Ademés, els àcit nucleicos poden metalizarse, lo que implica que l'àcit nucleico pot ser reemplaçat per un metal conservant la forma i l'estructura originals.[38] i permetent la litografia i solidificació d'estes superfícies.[2]

Referències

[editar | editar còdic]
  1. ↑ 1,0 1,1 DNA polyhedra: Goodman, Russel P.. “Rapid chiral assembly of rigid DNA building blocks for molecular nanofabrication”. Science 310 (5754): 1661–1665. doi:10.1126/science.1120367. PMID 16339440. Bibcode: 2005Sci...310.1661G.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 Overview: Mao, Chengde. “The emergence of complexity: lessons from DNA”. PLoS Biology 2 (12): 2036–2038. doi:10.1371/journal.pbio.0020431. PMID 15597116.
  3. ↑ Background: Pelesko, John A. (2007). Self-assembly: the science of things that put themselves together, New York: Chapman & Hall/CRC, pp. 5, 7. ISBN 978-1-58488-687-7.
  4. ↑ Overview: (2010).Annual Review of Biochemistry.(79)
    65–87.doi:10.1038/nnano.2010.231.
  5. ↑ Background: (1996).New York: Oxford University Press.
    4–10.
  6. ↑ RNA nanotechnology: Chworos, Arkadiusz; Severcan, Isil; Koyfman, Alexey Y.; Weinkam, Patrick; Oroudjev, Emin; Hansma, Helen G.; Jaeger, Luc (2004). “Building Programmable Jigsaw Puzles with RNA”. Science 306 (5704): 2068–2072. doi:10.1126/science.1104686. PMID 15604402. Bibcode: 2004Sci...306.2068C.
  7. ↑ RNA nanotechnology: Guo, Peixuan (2010). “The Emerging Field of RNA Nanotechnology”. Nature Nanotechnology 5 (12): 833–842. doi:10.1038/nnano.2010.231. PMID 21102465. Bibcode: 2010NatNa...5..833G.
  8. ↑ 8,0 8,1 Dynamic DNA nanotechnology:(febrer de 2011).Nature Chemistry.3(2)
    103-113.doi:10.1038/nchem.957.
  9. ↑ 9,0 9,1 9,2 Structural DNA nanotechnology: “An overview of structural DNA nanotechnology” . Molecular Biotechnology 37 (3): 246–257. doi:10.1007/s12033-007-0059-4. PMID 17952671.
  10. ↑ Dynamic DNA nanotechnology: (Decembre 2006).Current Opinion in Biotechnology.17(6)
    580–588.doi:10.1016/j.copbio.2006.10.004.
  11. ↑ Algorithmic self-assembly: (December 2004).PLoS Biology.2(12)
    2041–2053.doi:10.1371/journal.pbio.0020424.
  12. ↑ atres apanys “Protein Nanomachines” . PLoS Biology 2 (3). doi:10.1371/journal.pbio.0020073. PMID 15024422.
  13. ↑ DX arrays:(10 de febrer de 1999).ournal of the American Chemical Society.121(5)
    917–922.doi:10.1021/ja982824a.
  14. ↑ DX arrays: Winfree, Erik. “Design and self-assembly of two-dimensional DNA crystals”. Nature 394 (6693): 529–544. doi:10.1038/28998. PMID 9707114. Bibcode: 1998Natur.394..539W.
  15. ↑ DX arrays: Liu, Furong. “Modifying the surface features of two-dimensional DNA crystals”. Journal of the American Chemical Society 121 (5): 917–922. doi:10.1021/ja982824a.
  16. ↑ Other arrays: Mao, Chengde. “Designed two-dimensional DNA Holliday junction arrays visualized by atomic force microscopy”. Journal of the American Chemical Society 121 (23): 5437–5443. doi:10.1021/ja9900398.
  17. ↑ Other arrays: “Double cohesion in structural DNA nanotechnology” . Organic and Biomolecular Chemistry 4 (18): 3414–3419. doi:10.1039/b605212f. PMID 17036134.
  18. ↑ Other arrays: Mathieu, Frederick. “Six-helix bundles designed from DNA”. Nano Letters 5 (4): 661–665. doi:10.1021/nl050084f. PMID 15826105. Bibcode: 2005NanoL...5..661M.
  19. ↑ Algorithmic self-assembly: Rothemund, Paul W. K.. “Algorithmic self-assembly of DNA Sierpinski triangles”. PLoS Biology 2 (12): 2041–2053. doi:10.1371/journal.pbio.0020424. PMID 15583715.
  20. ↑ Algorithmic self-assembly: “Two computational primitives for algorithmic self-assembly: copying and counting” . Nano Letters 5 (12): 2586–2592. doi:10.1021/nl052038l. PMID 16351220. Bibcode: 2005NanoL...5.2586B.
  21. ↑ Overview:(December 2011).Nature Nanotechnology.6(12)
    763–772.doi:10.1038/nnano.2011.187.
  22. ↑ DNA Nanotubes: “Loading and selective release of carregue in DNA nanotubes with llongitudinal variation.” . Nature chemistry 2 (4): 319-28. PMID 21124515.
  23. ↑ DNA nanotubes: “Design and Characterization of Programmable DNA Nanotubes” . Journal of the American Chemical Society 126 (50): 16344–16352. doi:10.1021/ja044319l. PMID 15600335.
  24. ↑ DNA nanotubes: “Programming DNA Tube Circumferences” . Science 321 (5890): 824–826. doi:10.1126/science.1157312. PMID 18687961. Bibcode: 2008Sci...321..824I.
  25. ↑ Three-dimensional arrays: “From molecular to macroscopic via the rational design of a self-assembled 3D DNA crystal” . Nature 461 (7260): 74–77. doi:10.1038/nature08274. PMID 19727196. Bibcode: 2009Natur.461...74Z.
  26. ↑ 26,0 26,1 26,2 Overview: (Decembre de 2011).Nature Nanotechnology.6(12)
    763–772.
  27. ↑ DNA polyhedra: Zhang, Yuwen. “Construction of a DNA-truncated octahedron”. Journal of the American Chemical Society 116 (5): 1661–1669. doi:10.1021/ja00084a006.
  28. ↑ DNA Boxes: “Modular access to structurally switchable 3D discrete DNA assemblies.” . Journal of the American Chemical Society 129 (44): 13376-7. PMID 17939666.
  29. ↑ DNA polyhedra: Shih, William M.. “A 1.7-kilobase single-stranded DNA that folds into a nanoscale octahedron”. Nature 427 (6975): 618–621. doi:10.1038/nature02307. PMID 14961116. Bibcode: 2004Natur.427..618S.
  30. ↑ DNA origami: “Self-assembly of DNA into nanoscale three-dimensional shapes” . Nature 459 (7245): 414–418. doi:10.1038/nature08016. PMID 19458720. Bibcode: 2009Natur.459..414D.
  31. ↑ DNA boxes: “Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid” . Nature 459 (7243): 73–76. doi:10.1038/nature07971. PMID 19424153. Bibcode: 2009Natur.459...73A.
  32. ↑ DNA boxes: “Scaffolded DNA origami of a DNA tetrahedron molecular container” . Nano Letters 9 (6): 2445–2447. doi:10.1021/nl901165f. PMID 19419184. Bibcode: 2009NanoL...9.2445K.
  33. ↑ Overview: (Octubre de 2007).Angewandte Chemie International Edition.46(42)doi:10.1002/cbic.200900286.
  34. ↑ Nanoarchitecture: Zheng, Jiwen. “2D Nanoparticle Arrays Show the Organizational Power of Robust DNA Motifs”. Nano Letters 6 (7): 1502–1504. doi:10.1021/nl060994c. PMID 16834438. Bibcode: 2006NanoL...6.1502Z.
  35. ↑ Nanoarchitecture: “Finite-size, fully addressable DNA tile lattices formed by hierarchical assembly procedures” . Angewandte Chemie 118 (40): 749–753. doi:10.1002/ange.200690141.
  36. ↑ Nanoarchitecture: Cohen, Justin D.. “Addressing single molecules on DNA nanostructures”. Angewandte Chemie International Edition 46 (42): 7956–7959. doi:10.1002/anie.200702767. PMID 17763481.
  37. ↑ Nanoarchitecture: “Self-assembly of carbon nanotubes into two-dimensional geometries using DNA origami templates” . Nature Nanotechnology 5 (1): 61–66. doi:10.1038/nnano.2009.311. PMID 19898497. Bibcode: 2010NatNa...5...61M.
  38. ↑ Nanoarchitecture: (22 de març de 2011.).ACS Nano.5(3)doi:10.1021/nn1035075.
Obtingut de «https://www.lenciclopedia.org/w/index.php?title=Nanotecnología_de_ADN&oldid=838719»