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Biomedicina

ADN y nanopartículas metálicas manipulan la luz de formas imposibles

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El "origami de ADN" empieza a ponerse al servicio de la plasmónica para crear estructuras diminutas capaces de interactuar con la luz de formas nunca vistas. Este campo podría dar lugar a una nueva generación de sensores y actuadores biológicos capaces de funcionar dentro del cuerpo

  • por Emerging Technology From The Arxiv | traducido por Mariana Díaz
  • 03 Abril, 2018

Cuando una hebra larga de ADN se mezcla con otras más cortas, diseñadas para unirse a la larga en alguna región específica, los fragmentos más cortos pueden actuar como conexiones de apoyo que fuerzan al filamento largo a autoensamblarse para dar lugar a una estructura tridimensional. Los bioquímicos llevan tiempo utilizando esta técnica de "origami de ADN" para crear formas complejas con material genético, como cubos, caras sonrientes e incluso mapas aproximados de China y América.

Más allá de estos usos anecdóticos, el origami de ADN tiene el potencial de crear una amplia gama de dispositivos a escala molecular. Los bioquímicos están jugando con la técnica para intentar crear enzimas artificiales, sistemas de administración de fármacos e incluso con nanobots para explorar el cuerpo desde dentro.

Foto: Luz / pH / iones / ADN, aptámeros, proteínas / temperatura / imán.

Pero no son los únicos. Los físicos también han empezado a explorar el potencial de la tecnología en su propio campo. El investigador del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes (Alemania) Chao Zhou y un par de compañeros, han publicado una investigación en la que revisan cómo el origami de ADN permitiría crear metamateriales exóticos capaces de manipular la luz de formas imposibles para los materiales convencionales. La investigación también revela cómo hacer estructuras de ADN que cambian de forma para actuar como interruptores e incluso "caminar" por las superficies.

En los últimos años, los físicos han comenzado a estudiar a fondo la interacción de los fotones con el mar de electrones que hay en los metales conductores. Los fotones que se estrellan contra este océano "plasmónico" crean ondas en su superficie, como lo haría un asteroide al impactar contra un océano de la Tierra.

Estas ondas transmiten información que se puede manipular de varias formas. Además de absorber la luz, el océano plasmónico puede dispersarla y transferir información a este.

Por lo tanto, no es difícil ver por qué la plasmónica empieza a postularse como una disciplina emergente y emocionante para el procesamiento de la información y la comunicación. Sin embargo, hay una serie de desafíos, entre los que destaca la escala nanométrica a la que se produce esta tecnología, por los que la plasmónica aún está en pañales. Crear y manipular estructuras metálicas en esta escala es difícil.

Y aquí es donde entra en juego el origami de ADN. La idea consiste en unir nanopartículas o nanobarras de metal a un filamento de ADN para que este se autoensamble en una forma específica que ancle las nanopartículas en una posición concreta.

Varios grupos, incluidos el de Zhou, han realizado este proceso con nanopartículas y nanobarras de oro fijadas a hebras de ADN para crear estructuras helicoidales. El siguiente paso consiste en enrollar estos tubos para crear anillos. Dado que una hélice puede ser diestra o zurda, su interacción con la luz polarizada circular es distinta en cada caso, lo que ofrece una forma de analizarla de forma selectiva.

Estos anillos tienen propiedades ópticas muy específicas, como la capacidad de interactuar con la luz polarizada en una dirección u otra. Además, un simple y pequeño cambio en su forma puede alterar drásticamente estas propiedades, ya que fuerza a las nanopartículas a estar más juntas o más separadas.

Al tener muchas moléculas en una solución, el equipo puede monitorizar estos cambios analizando la luz a medida que pasa. Por ejemplo, cambiar el pH altera la estructura de las moléculas que provoca una alteración en el índice de refracción de la solución. Del mismo modo, estas estructuras son sensibles a los cambios en la temperatura, la concentración de iones y los campos magnéticos, así como a la presencia de otras moléculas activas.

La luz es capaz de cambiar por sí misma la configuración de las moléculas, haciéndolas pasar de una forma a otra. Este fenómeno da lugar a nanoestructuras "programables" con formas que se pueden cambiar en función de luz. Estas moléculas tienen un gran potencial para utilizarse en circuitos nanofotónicos y puertas lógicas.

Las moléculas que cambian de forma plantean la posibilidad de hacer otros dispositivos. Las células vivas están llenas de máquinas moleculares, o nanomáquinas, que pueden caminar a lo largo de las estructuras que hay dentro de la célula, como los microtúbulos. Estas máquinas incluyen motores moleculares tales como la kinesina y la dineína.

Las estructuras plasmónicas hechas de nanobarras de oro pueden cambiar de forma de manera similar, lo que también les permitiría "caminar". De hecho, Zhou y su equipo han creado y probado tales andadores plasmónicos en su laboratorio utilizando nanobarras como patas.

"El sistema plasmónico andador consiste en una pista de origami de ADN de doble capa, una nanobarra de oro como andador y otra nanobarra de oro como parte fija", explica el equipo de Zhou. Se trata de una prueba de concepto con unas posibilidades muy interesantes. La idea es que estas máquinas den lugar a a una nueva generación de sensores y actuadores biológicos altamente sensibles que puedan llegar a funcionar dentro del cuerpo. También podrían permitir crear superficies funcionales y circuitos con propiedades que se pueden activar y desactivar con la luz. "Hay mucho margen para avanzar aún más en este emocionante campo multidisciplinario", afirma la investigación.

También hay muchos desafíos. Uno de ellos se debe a que las estructuras de ADN se descomponen rápidamente, así que es imprescindible aumentar su estabilidad. Otro se presenta cuando las nanopartículas y nanobarras se colocan muy cerca, lo que provoca la aparición de efectos cuánticos.

Y aunque la mayoría de estos efectos ópticos son el resultado de la interacción de la luz con el metal, una pregunta interesante es si las propias moléculas de ADN pueden interactuar con la luz y, de ser así, cómo se puede explotar esta propiedad. Para los bioquímicos, físicos e ingenieros por igual, parece un buen campo en el que empezar a trabajar.

Ref: arxiv.org/abs/1803.06753DNA Nanotechnology-Enabled Chiral Plasmonics: From Static To Dynamic

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