La nanotecnología basada en ADN es el desarrollo y producción de estructuras artificiales a partir de ácidos nucleicos para uso tecnológico . En este campo científico, los ácidos nucleicos no se utilizan como portadores de información genética en células vivas , sino como material para las necesidades de la ingeniería no biológica de nanomateriales .
La tecnología utiliza reglas estrictas de emparejamiento de bases para los ácidos nucleicos, que solo permiten unir partes de hebras con secuencias de bases complementarias para formar una estructura de doble hélice fuerte y rígida . Sobre la base de estas reglas, es posible diseñar una secuencia de bases que se ensamblarán selectivamente para formar estructuras diana complejas con formas y propiedades a nanoescala finamente ajustadas. Básicamente, el ADN se utiliza para crear materiales, sin embargo, también se han construido estructuras con la inclusión de otros ácidos nucleicos, como el ARN y los ácidos péptido-nucleicos (PNA), lo que permite utilizar el nombre de “nanotecnología basada en nucleótidos” para describir el campo de la tecnología [1] [ 2] .
El concepto básico de la nanotecnología basada en el ADN fue propuesto por primera vez a principios de la década de 1980 por Nadrian Seaman y, a mediados de la década de 2000, este campo de investigación comenzó a despertar un interés generalizado. Los investigadores que trabajan en el nuevo campo emergente de la tecnología han creado estructuras estáticas como redes cristalinas bidimensionales y tridimensionales , nanotubos, poliedros y otras formas arbitrarias, así como estructuras funcionales como máquinas moleculares y computadoras de ADN .
Se utiliza una variedad de métodos para ensamblar estas estructuras, incluida la estructuración en mosaico donde los mosaicos se ensamblan a partir de estructuras más pequeñas, estructuras plegables creadas con el método de origami de ADN y reorganización dinámica de estructuras creadas con métodos de movimiento de hebras. El campo de investigación está comenzando a utilizarse como una herramienta para resolver problemas científicos fundamentales en los campos de la biología estructural y la biofísica , incluidos problemas aplicados de cristalografía y espectroscopia para la determinación de la estructura de proteínas. También se están realizando investigaciones para aplicaciones potenciales en electrónica molecular escalable y nanomedicina .
La nanotecnología se entiende a menudo como el estudio de materiales y dispositivos cuyos componentes son inferiores a 100 nm. La nanotecnología basada en el ADN, en particular, es un ejemplo de autoensamblaje ascendente de moléculas, en el que los componentes moleculares se organizan espontáneamente en estructuras estables; la forma específica de estas estructuras está determinada por las propiedades físicas y químicas de los componentes seleccionados por los diseñadores [5] . En la nanotecnología basada en el ADN, los bloques de construcción son hebras de ácidos nucleicos, como el ADN, que son muy adecuados para la construcción de objetos a nanoescala, ya que la doble hélice de los ácidos nucleicos tiene un diámetro de 2 nm y una longitud de 360 ° . giro de 3,5 nm.
Una característica clave que hace que los ácidos nucleicos sean más adecuados para construir estructuras, distinguiéndolos de otros materiales, es que la unión entre dos ácidos nucleicos depende de reglas de emparejamiento de bases simples y bien estudiadas , mientras forma una estructura bien definida, que en conjunto permite fácil ensamblaje de estructuras a partir de ácidos nucleicos mediante el diseño de ácidos nucleicos. Esta característica está ausente en otros materiales nanotecnológicos, incluidas las proteínas , que son muy difíciles de diseñar, así como las nanopartículas , que no tienen la capacidad de autoensamblaje controlado [6] .
La estructura de una molécula de ácido nucleico consiste en una secuencia de nucleótidos que difieren en las bases nitrogenadas que contienen . Hay cuatro bases en el ADN: adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T). Los ácidos nucleicos tienen la propiedad de que las moléculas, durante la formación de una doble hélice, se unen entre sí solo si dos secuencias de bases nitrogenadas son complementarias. Es decir, significa que forman secuencias de pares de bases adecuadas en las que A solo se une a T y C solo se une a G [6] [7] . Dado que la formación de pares de bases emparejados correctamente es energéticamente favorable , se espera que los ácidos nucleicos se unan entre sí en la mayoría de los casos en una conformación que maximiza el número de bases emparejadas correctamente. Por lo tanto, las secuencias de bases en el sistema de hebras permiten determinar el patrón de unión y la estructura general del objeto de una manera fácilmente controlada. En la nanotecnología basada en el ADN, los investigadores determinan las secuencias de bases de las hebras de modo que las interacciones de apareamiento hacen que las hebras se ensamblen en las conformaciones deseadas [4] [6] .
Las nanotecnologías basadas en ADN a veces se dividen en dos subcampos superpuestos: nanotecnologías estructurales basadas en ADN y nanotecnologías variables basadas en ADN. Las nanotecnologías estructurales basadas en el ADN (a veces abreviadas SDN ) se centran en la síntesis y caracterización de materiales y complejos nucleicos que se ensamblan en estados de [8] [9] .
Las estructuras construidas en el marco de la nanotecnología basada en el ADN utilizan estructuras topológicamente ramificadas de compuestos que contienen ácidos nucleicos. (A diferencia de la mayoría del ADN biológico, que existe como una doble hélice no ramificada). Uno de los ensamblajes ramificados más simples es un nudo de cuatro vías, que consta de cuatro hebras separadas de ADN, cuyas partes son complementarias en un cierto patrón. En contraste con la estructura natural de Holiday , cada dirección en un nudo artificial fijo tiene una secuencia diferente de bases, como resultado de lo cual los puntos de conexión están en un lugar estrictamente definido. Se pueden combinar múltiples vías en un solo ensamblaje, por ejemplo, en el doble cruce ( DX ) , ampliamente utilizado, que contiene dos regiones paralelas de doble hélice con hebras de región que se cruzan en dos puntos diferentes. Cada punto de intersección es topológicamente un nodo de cuatro vías y está limitado en una orientación. Por lo tanto, a diferencia del nudo único flexible de cuatro vías, el doble cruce proporciona rigidez, lo que lo convierte en un bloque de construcción adecuado para aumentar los ensamblajes de ADN [6] [4] .
Las nanotecnologías basadas en el ADN modificable utilizan un mecanismo denominado " desplazamiento de cadena mediado por soporte " para permitir que se reorganice el ensamblaje de los ácidos nucleicos (en respuesta a la adición de un nuevo ácido nucleico) . En esta reacción, una hebra entrante se une al esqueleto monocatenario de un ensamblaje de doble hebra y luego desplaza a uno de los ligados del ensamblaje original mediante un proceso de "migración de ramificación". Como resultado, una de las ramas del ensamblaje es reemplazada por otra [8] . Además, se pueden crear ensamblajes y dispositivos reorganizables utilizando ácidos nucleicos funcionales como desoxirribozimas y ribozimas que son capaces de producir reacciones químicas y aptámeros que pueden unirse a proteínas específicas o moléculas pequeñas [10] .