Dom05162021

Última actualizaciónVie, 30 Abr 2021 6pm

Back Está aquí: Inicio Química Proyectos ADN para crear nanomateriales y aplicaciones miniaturizadas

ADN para crear nanomateriales y aplicaciones miniaturizadas

Un equipo de investigadores del CSIC, del Instituto de Química Avanzada de Cataluña, estudia el uso de segmentos de ADN para crear nanomateriales. En un trabajo reciente muestran cómo han conseguido, por vez primera, crear una estructura de ADN sobre una superficie de oro. Es una de las opciones más prometedoras de la nanociencia para formar matrices de complejidad creciente en una, dos o tres dimensiones y posicionar en ellas, de forma controlada, nanopartículas, anticuerpos, proteínas, nanocables y un largo etcétera. Las aplicaciones aun están lejos pero, dada la casi infinita posibilidad de combinaciones, podría crearse casi cualquier cosa imaginable.

 

 

¿Cómo se puede crear un material a la escala de ángstroms o nanómetros? Este es uno de las mayores retos de las nanotecnologías, en la que se plantean dispositivos tan minúsculos que no son viables ni las herramientas ni los planteamientos convencionales.

Una de las respuestas está en las moléculas que se autoensamblan para formar estructuras con un patrón regular. De estas moléculas, el ADN es una de las opciones más prometedoras, ya que tiene una remarcable capacidad para autoorganizarse a partir de la combinación de sus cuatro nucleótidos, que se complementan y organizan en pares de bases con uniones no covalentes. Eso permite formar estructuras de complejidad creciente de una, dos o tres dimensiones.

Estas estructuras pueden usarse como plantillas para colocar proteínas, nanopartículas, metales, nanocables o cualquier otra molécula funcional siguiendo un patrón predeterminado. El ADN tiene otras ventajas: su rigidez (a nivel nanométrico), el tamaño extraordinariamente pequeño y una posibilidad de combinaciones casi infinita.

El grupo de Química de Ácidos Nucleicos del Instituto de Química Avanzada de Catalunya del CSIC, en Barcelona, trabaja en la formación de cristales de ADN con la idea de usarlos como plantillas o soporte para otras moléculas. El grupo, dirigido por Ramón Eritja, trabaja actualmente integrado en los laboratorios del Instituto de Recerca Biomédica (IRB) de Barcelona.

Este grupo está especializado en la síntesis de oligonucleótidos, pequeños segmentos de ADN destinados a diferentes aplicaciones biotecnológicas, especialmente biosensores. En la construcción de cristales de ADN, también parten de oligonucleótidos sintetizados por ellos mismos. La idea, aclara Ramon Eritja, es sintetizar un conjunto de oligonucleótidos que se autoensamblan como 'tejas' o piezas de lego.

En este caso, las 'tejas' son de dos tipos, A y B, y cada uno de los tipos está formado por cinco segmentos de ADN: cuatro de ellos forman dos dobles hélices de ADN y el quinto las enlaza (ver imagen).

Las 'tejas' del tipo A sólo puede engancharse en sus extremos con las del tipo B y además, de una forma muy concreta. El resultado es una superficie en la que las 'tejas' A y B se van alternando para formar una superficie regular (ver gráfico) gracias a que las interacciones entre ellos no son covalentes, es decir, sólo hay una forma posible de que encajen (de ahí la metáfora de las tejas encajadas en el tejado).

Si además, a las tejas de tipo B se les añade un grupo reactivo que actúe como 'pegamento' para unir un elemento de interés (una nanopartícula magnética, por ejemplo, una proteína o un anticuerpo), el resultado es una estructura regular minúscula que puede funcionar como un sensor (si se le ha añadido un anticuerpo), para grabar información (si lo que tiene es una nanopartícula magnética) o para cualquier otra aplicación, en función del componente funcional que incorpore.

Por primera vez, sobre oro

Esta es la explicación gráfica pero la forma de obtenerlo reviste más complejidad. Los investigadores sintetizan los oligonucleótidos, los ensamblan como si fueran las piezas de un puzzle y después depositan esa solución sobre una superficie de mica, donde el ADN cristaliza. La mica, aclara Alejandra V.Garibotti, investigadora del grupo, es el material con la estructura atómica más plana conocida, lo que permite obtener un cristal de ADN homogéneo.

Cristales de ADN en tres dimensiones. Arriba, el esquema de los cristales con los diferentes segmentos de ADN. Debajo, imagen de los cristales ya obtenidos. Fuente: Ned Seeman.Es vital que la superficie sea plana a nivel atómico: a nivel nanométrico, una pequeña rugosidad es como una montaña. Pero la mica no es conductora, por lo que no puede incorporar las conexiones eléctricas que se requerirían en aplicaciones como sensores o dispositivos de grabación magnética. De ahí el interés en conseguir nanoestructuras de ADN sobre materiales que sí sean conductores, como oro, oxido de silicio u otros semiconductores.

En un trabajo publicado el pasado septiembre (1), este grupo del CSIC ha conseguido crear por vez primera una estructura de ADN sobre oro, un material que sí permitiría esas conexiones. Los resultados, publicados el pasado septiembre, muestran una estructura regular de ADN de unos 300 nanómetros de ancho que, además, no sólo está depositada sobre el oro sino que está químicamente adherida, lo que otorga más robustez a la nanoestructura.

Como paso siguiente, los investigadores se plantean trabajar sobre óxido de silicio, un material que abriría la puerta a numerosas aplicaciones microelectrónicas. "Hay que cambiar la superficie para conseguirlo" detalla Alejandra Garibotti, "porque la superficie es más rugosa". Sin embargo, añade, hay una buena tecnología para funcionalizar la superficie de óxido de silicio y conseguir adherir las estructuras de ADN.

Un inconveniente, explica la investigadora Alejandra Garibotti, es que es un trabajo largo y tedioso, del que sólo se saben los resultados al cabo de muchos meses. Primero hay que diseñar los segmentos de ADN que constituirán los "ladrillos" de la estructura de base. Después sigue el proceso de síntesis y de cristalización del ADN sobre la superficie y, sólo al final, se obtienen las imágenes con microscopia atómica, que permiten saber si la estructura se ha formado correctamente. Eso quiere decir que "para una estructura simple, se necesitan al menos unos 6 meses para saber si el diseño de los segmentos de ADN ha sido correcto, un plazo que se alarga hasta un año o más si se trata de un diseño más complejo".

Y los diseños pueden llegar a ser muy complejos. Los investigadores del CSIC trabajan con un sistema relativamente simple y muy versátil, que fue desarrollado por Ned Seeman, investigador de la Universidad de Nueva York, pionero del área y con quien estuvo trabajando Alejandra Garibotti antes de llegar al Instituto de Química Avanzada de Catalunya del CSIC en Barcelona. Pero hay más formas de crear estructuras de ADN. Quizá el más llamativo es el llamado Origami de DNA, en el que una gran cadena de ADN se va plegando de forma natural (de ahí su nombre, tomado del tradicional arte oriental que crea figuras plegando papel) gracias a otros pequeños segmentos de ADN, de forma que se obtienen diseños diversos, desde letras o figuras geométricas hasta dibujos. Pero hay más: estructuras creadas no con ADN sino con RNA; estructuras geométricas en 3 dimensiones creadas con segmentos de ADN; o dispositivos nanomecánicos, entre otros muchos.

Aplicaciones futuras

Octaedro de ADN en tres dimensiones obtenido por el denominado método ADN Origami. Font: Scripps Research Institute. En su trabajo experimental, los investigadores del CSIC están obteniendo cristales de ADN de hasta un micrómetro aproximadamente, formados entre 50 y 100 mil 'tejas' de ADN. No parece mucho pero también hay que tener en cuenta que irán destinados a aplicaciones que no son mucho mayores. ¿Que tamaños debería conseguirse para empezar a pensar en su viabilidad? Un buen objetivo, detallan Ramón Eritja y Alejandra Garibotti, "sería que una matriz cubriera una superficie de 1 centímetro cuadrado".

Si se aplicaran, por ejemplo, en pequeños dispositivos de grabación magnética, un tamaño así podría ser suficiente. Además, según la estructura, se trataría de dispositivos con una gran densidad de información ya que tendrían una nanopartícula magnética cada 20 o 30 nanómetros. Que una aplicación así no es una quimera lo parece demostrar el interés que ha despertado en multinacionales como IBM, que dedica parte de su investigación a estos materiales (2).

Otra de las aplicaciones que se barajan son células fotoeléctricas para captar energía solar. Se trata de una aplicación mucho más incierta pero juega a su favor el hecho de que permitiría una gran eficiencia en muy poco espacio, ya que tendría una partícula captadora de luz cada pocas decenas de nanómetros.

Otros posibles desarrollos están en el área de la biomedicina. Desde hace unos 20 años en los laboratorios se utiliza ADN para impedir el desarrollo de genes que provocan enfermedades. Aunque este proceso puede ser interesante para generar nuevos medicamentos, sólo hay dos productos derivados del ADN que se encuentran en la farmacia para el tratamiento de enfermedades oculares. Los problemas principales que impiden la obtención de medicamentos hechos de ADN es que éste se degrada y entra con dificultad en las células. Pero por ejemplo, explica Eritja, si se añadiera al ADN unos fragmentos de proteínas de la membrana celular, que permitieran entrar en unas células concretas, se podrían desarrollar aplicaciones farmacéuticas o de diagnóstico que llegaran hasta unas células concretas. Eso podría funcionar, por ejemplo, para las células cancerosas, en las que algunas de las proteínas de la membrana celular están alteradas, y se podría utilizar estas diferencias para dirigir el ADN medicamento sólo a esas células.

Más cercano podría estar el desarrollo de biosensores basados en anticuerpos (ELISA) más sensibles, ya que podrían incorporar más unidades de anticuerpos en menos espacio, y polivalentes, ya que se les podría incorporar más de un anticuerpo o alguna otra partícula funcional.

De hecho, esta última es una de las grandes ventajas de las estructuras de ADN, el poder incorporar dos componentes funcionales a la estructura de forma controlada, cada uno de ellos enganchado a un tipo de "teja" de ADN (en el caso de las estructuras basadas en dos tipos de "tejas"). Estos componentes podrían ser casi cualquier molécula, ya que lo único que hay que cambiar es el enlace, que actúa como "pegamento". Pero podrían crearse estructuras con dos, tres, cuatro o más tipos de "tejas". Y, atendiendo a la diversidad de estructuras de ADN que pueden crearse, podría crearse casi cualquier cosa.

Articulos de referencia:

(1) Assembly of Two-Dimensional DNA Crystals carrying N4-[2-(tert-Butyldisulfanyl)ethyl]cytosine Residues, Helvetica Chimica Acta

(2) Placement and orientation of individual DNA shapes on lithographically patterned surfaces Ryan J. Kershner et al., Nature Nanotechnology 4, 557 - 561 (2009)