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Diseño, modelado, automatización, simulación, optimización | 2017-09-15

Un robot de ADN ordena moléculas ‘pasito a pasito’

SINC | Bioingenieros del Instituto de Tecnología de California han creado un nanorobot de ADN que tiene una mano para recoger moléculas y dos pies para llevarlas al lugar deseado.

De momento es un poco lento, ya que tarda cinco minutos en dar un pequeño paso de 6 nanómetros, pero sus creadores confían en acelerar este novedoso sistema, que algún día podría operar en el interior del cuerpo humano.

Imagina un robot que te ayuda a ordenar tu casa: merodea buscando los calcetines tirados y los lleva al cesto de la colada, o recoge los platos sucios para meterlos al lavavajillas. Parece ciencia ficción, pero ahora científicos del Instituto de Tecnología de California (Caltech, en EE UU) han creado una máquina molecular que puede realizar tareas similares a escala nanométrica.

El nanorobot está fabricado con solo una cadena de ADN y puede ‘caminar’ de forma autónoma, recogiendo moléculas en una zona de una superficie y colocándolas en otra. Los detalles del sistema, que en el futuro se podría emplear para ensamblar compuestos químicos o reorganizar nanopartículas en circuitos, se publican esta semana en la revista Science.

"Al igual que los robots electromecánicos se pueden enviar a lugares lejanos, como Marte, nos gustaría enviar estos robots moleculares a lugares minúsculos donde los humanos no pueden viajar, como el torrente sanguíneo", explica Lulu Qian, coautora y profesora en Caltech. "En concreto, nuestro objetivo fue diseñar y construir este nanorobot para realizar una tarea sofisticada: la ordenación de un cargamento (moléculas en este caso)".

Para montar el robot de ADN los investigadores construyeron tres piezas: una especie de ‘pierna’ con dos ‘pies’ para caminar, un ‘brazo’ con una ‘mano’ para coger la carga, y un tercer segmento que reconoce un punto específico donde dejarla, indicando a la ‘mano’ que la suelte. Cada uno de estos componentes está hecho con unos pocos nucleótidos dentro de una sola hebra de ADN.

Estas diminutas máquinas tardan cinco minutos en dar un paso de 6 nanómetros, pero colocan las moléculas que transportan en su sitio...

En principio, estos bloques de construcción modulares se podrían ensamblar de muchas formas para ejecutar tareas diferentes. Por ejemplo, un robot de ADN con varios brazos y manos se podría usar para transportar multitud de moléculas a la vez.

Pero, de momento, los autores han fabricado un nanorobot que explora una superficie molecular en la que puede recoger dos tipos de moléculas: un colorante amarillo fluorescente y otro rosa –también fluorescente–, para luego distribuirlas en dos regiones distintas.

El uso de moléculas fluorescentes permitió a los autores comprobar que las moléculas acababan cada una en su lugar. El robot ordenó con éxito seis moléculas dispersas (tres rosas y tres amarillas) en sus zonas correctas en 24 horas. Si se ponían más robots en la superficie se acortaba el tiempo y se completaba antes la tarea. En conjunto, la probabilidad de que cada robot realizara con éxito la entrega del cargamento rondaba el 80%.

"Aunque hemos desarrollado este robot para una tarea específica, el mismo diseño del sistema se puede generalizar para operar con docenas de tipos de cargas situadas en cualquier ubicación inicial arbitraria en la superficie", dice Anupama Thubagere, otra de las investigadoras de Caltech, “y uno podría tener también multitud de robots realizando en paralelo diversas tareas de clasificación".

Un diseño a través del ADN

La clave para diseñar máquinas de ADN es el hecho de que esta biomolécula tiene propiedades fisicoquímicas únicas, que se conocen bien y son programables. Una única hebra de ADN está formada por cuatro nucleótidos (abreviados como A, G, C y T) y organizadas en una cadena forman una secuencia. Estos nucleótidos se unen en pares específicos: A con T, y G con C. Cuando una sola hebra encuentra una cadena complementaria inversa (por ejemplo, CGATT frente a AATCG), las dos hebras se cierran juntas en la forma clásica de doble hélice.

Una única cadena con los nucleótidos adecuados puede forzar dos hebras parcialmente unidas en cremallera y separarlas. La rapidez con que cada evento de cierre y apertura sucede, así como la cantidad de energía consumida, se pueden estimar para una secuencia de ADN concretada, lo que permite a los investigadores controlar la velocidad con la que se mueve el robot y la cantidad de energía que utiliza para realizar una tarea.

Además se puede calcular la longitud de una hebra sola o de dos entrelazadas. De esta forma la pierna y el pie del robot de ADN se pueden diseñar para que dé un paso de un tamaño concreto, en este caso, de 6 nanómetros. A las diminutas máquinas les lleva 5 minutos dar cada uno de estos nanopasos.

Los autores señalan que el tiempo que los robots necesitan para entregar su cargamento se podría disminuirse en gran medida si también se les pusieran ‘colas’ de una sola cadena, o bien utilizando proteínas motoras programadas con el ADN.

"Nos gustaría enviar estos robots moleculares a lugares minúsculos donde los humanos no pueden viajar, como el torrente sanguíneo", dicen los autores.

El nanotablero que se recorre en un día

Por otra parte, usando los mismos principios fisicoquímicos, el equipo ha diseñado no solo robots, también ‘patios de recreo’ moleculares donde ponerlos a prueba. En este estudio han trabajado con un tablero cuadrado de 58 nanómetros de lado en el que, como si fueran clavijas, se insertaron hebras individuales de ADN complementario al de la pierna y el pie del robot.

Este se une a una ‘clavija’ con su pierna y uno de sus pies. El otro pie flota libremente, y cuando las fluctuaciones moleculares aleatorias hacen que este pie libre encuentre una clavija cercana, tira del robot hacia ella y se libera el otro pie. Este proceso continúa con el robot moviéndose en una dirección aleatoria en cada paso.

Puede llevar un día entero que el robot explore todo el tablero. A lo largo del camino, cuando se encuentra moléculas de carga atadas a las clavijas, las agarra con su mano y las lleva hasta que detecta la señal de punto de bajada. El proceso es lento, pero permite un diseño de nanomáquina muy simple y con muy poco consumo de energía química.

"No desarrollamos robots de ADN para aplicaciones específicas: nuestro laboratorio se centra en descubrir los fundamentos de ingeniería que permitan el desarrollo de robots de ADN de uso general", comenta Qian.

"Sin embargo –añade–, espero que otros investigadores puedan utilizar estos principios para aplicaciones interesantes, como usar un robot de ADN para sintetizar un producto químico terapéutico a partir de sus componentes en una fábrica molecular artificial, administrando un medicamento solo cuando se active una señal específica en la célula o la corriente sanguínea, o incluso para clasificar componentes moleculares desechables para reciclarlos".

Referencia bibliográfica: Anupama J. Thubagere, Lulu Qian et al. “A cargo-sorting DNA robot”. Science, 14 de septiembre de 2017.

Lulu Qian - CS+Biology - Alumni College 2016 - Fuente: Caltech

 

Escrito originalmente para SINC.


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