Los avances en nanopartículas de plata y origami de ADN agilizan el ensamblaje de ADN y la nanofabricación
Investigadores han desarrollado un método de empalme de ADN basado en nanopartículas de plata que mejora la eficiencia de ensamblaje de dos a cinco veces, y han descubierto principios de plegamiento del origami de ADN que aumentan los rendimientos hasta en un 17% con tiempos de fabricación más cortos.
Nuevas investigaciones están avanzando en el ensamblaje y la fabricación de estructuras de ADN: científicos en Japón han desarrollado un método basado en nanopartículas de plata para cortar y unir ADN, e investigadores en Texas han descubierto principios de diseño que hacen que el origami de ADN se pliegue de manera más fiable. La técnica japonesa mejora la eficiencia del ensamblaje de ADN de dos a cinco veces y ha demostrado funcionar en células vivas, mientras que los hallazgos sobre el origami de ADN podrían hacer que los materiales a nanoescala sean más rápidos y fáciles de producir.
El método de empalme con nanopartículas de plata fue desarrollado por investigadores de la Universidad de Nagoya y la Universidad de Gifu y se publicó en Nucleic Acids Research. El empalme tradicional de ADN se basa en enzimas de restricción y extremos cohesivos, pero estas enzimas a menudo carecen de precisión y producen uniones que no son óptimas. El equipo japonés utilizó en su lugar reacciones químicas con nanopartículas de plata, basándose en investigaciones de la década de 1990 que empleaban iones de plata para cortar ADN modificado con tiol en 3′, pero que solo lograban una tasa de recuperación del 14% debido a la unión inespecífica. Al sustituir los iones por nanopartículas, los investigadores pudieron eliminar la plata mediante centrifugación, mejorando enormemente la recuperación.
Los primeros intentos enfrentaron otro obstáculo: lograr una alta eficiencia de corte requería temperaturas y duraciones que dañaban el ADN. A 70°C, el ADN alcanzaba solo un 50% de eficiencia, y se necesitaban dos horas a 95°C para acercarse al 100%. El recubrimiento de las nanopartículas de plata con polietilenglicol (PEG) aumentó la eficiencia del 36% al 92% a 37°C en dos horas. Tras la optimización, el equipo logró una eficiencia de corte superior al 91% a 50°C en una o dos horas. La nueva técnica mejora la eficiencia del ensamblaje de ADN de dos a cinco veces. Los investigadores introdujeron con éxito un fragmento de ADN en células vivas, confirmando la expresión del gen de la proteína fluorescente verde. Sus próximos objetivos incluyen verificar la reproducibilidad en una amplia gama de secuencias, escalar a ADN más largo, desarrollar protocolos en formato de kit y extender la técnica al ensamblaje de ADN a escala genómica, bibliotecas de ARNm y ADN de cadena larga que codifica proteínas terapéuticas.
En un estudio separado publicado en Small, investigadores de la Universidad de Texas en Austin analizaron sistemáticamente cómo las decisiones de diseño afectan el plegamiento del origami de ADN, una técnica que utiliza hebras de ADN para autoensamblarse en formas programables. Mediante mediciones de fluorescencia en tiempo real, microscopía electrónica y modelado teórico, identificaron las fuerzas energéticas que determinan si una estructura se ensambla correctamente. El plegamiento depende de un equilibrio entre las interacciones favorables de unión del ADN y los costos energéticos desfavorables asociados con la formación de bucles. El equipo también descubrió que la «cooperatividad» —cómo las diferentes partes de la estructura se influyen entre sí durante el ensamblaje— desempeña un papel central. Reducir el número de conexiones interhelicoidales en el diseño aumenta el comportamiento cooperativo y mejora los rendimientos de plegamiento, mientras que simplemente fortalecer la unión entre hebras es menos efectivo porque introduce penalizaciones entrópicas.
Como parte del trabajo, los investigadores crearon lo que creen que es el logo de Longhorn más pequeño jamás realizado: una estructura compuesta enteramente de ADN, que mide aproximadamente 100 nanómetros de ancho y 2 nanómetros de grosor. Es miles de veces más pequeña que el grosor de un cabello humano, y aproximadamente 10 millones de pequeños Longhorns cabrían en el volumen de un grano de arena. El equipo también demostró una mejora práctica: al utilizar un proceso de calentamiento y enfriamiento más corto y enfocado, que dura de una a dos horas en lugar del proceso tradicional de varios días, aumentaron los rendimientos de ensamblaje hasta en un 17% y fabricaron millones de copias en menos de dos horas. Los hallazgos proporcionan un marco más claro para diseñar nanoestructuras de ADN con mayor eficiencia y fiabilidad, lo que podría acelerar aplicaciones en medicina, electrónica y ciencia de materiales.