ADN origami
O ADN origami é o pregamento a nanoescala do ADN coa finalidade de crear formas tridimensionais ou bidimensionais non arbitrarias de medidas nanométricas. A especificidade das interaccións entre pares de bases complementarias fan que o ADN sexa un útil material de construción ao poder deseñarse a súa secuencia de bases.[2] O ADN é un material ben coñecido que é axeitado para crear armazóns que sosteñan outras moléculas nun determinado lugar ou para crear estruturas por si mesmo. Origami é unha palabra xaponesa que se usa alí para designar a arte do pregamento do papel ou papiroflexia, e que se usou por analoxía para o pregamento do ADN.
A aparición da tecnoloxía do ADN origami causou grande interese e o ADN origami foi a portada do número do 16 de marzo de 2006 da revista Nature.[3] Desde entón, o ADN origami pasou de ser unha forma de arte a ter diversas aplicacións desde sistemas de entrega de fármacos en distintas partes do corpo a usarse como circuitería en dispositivos plasmónicos; porén, a maioría das aplicación permanecen aínda no estado de concepto ou na fase de ensaio.[4]
Introdución
[editar | editar a fonte]A idea de utilizar o ADN como material de construción foi presentada a comezos da década de 1980 por Nadrian Seeman.[5] O método actual do ADN origami foi desenvolvido por Paul Rothemund no Instituto Tecnolóxico de California, o proceso implica o pregamento dunha febra simple longa de ADN vital axudádose de moitas pequenas febras "grampa".[6] Estas febras curtas únense ás máis longas en varios lugares, o que dá lugar a diversas formas, incluíndo, por exemplo, caras sorridentes (smiley) e un mapa aproximado da China e as Américas, xunto con moitas estruturas tridimensionais como cubos.[7]
Para producir a forma desexada, as imaxes debúxanse cun recheo de mapa de bits dunha molécula de ADN longa simple. Este deseño é despois introducido nun programa informático que calcula a situación das febras grampa individuais. Cada grampa únese a unha rexión específica do molde de ADN, e así, debido ao apareamento de bases de Watson e Crick, as secuencias necesarias de todas as febras grampa son coñecidas e mostradas. Mestúrase o ADN, despois quéntase e arrefríase. A medida que o ADN arrefría, as diversas grampas tiran da febra longa para que tome a forma desexada. Os deseños son directamente observables por varios métodos, como o uso do microscopio electrónico, microscopio de forza atómica, ou microscopio de fluorescencia cando o ADN é acoplado a materiais fluorescentes.[6]
Os métodos de autoensamblaxe desde o principio (de abaixo a arriba) son consideradas alternativas prometedroas que ofrecen sínteses en paralelo baratas de nanoestruturas en condicións relativamente suaves.
Desde a creación deste método, desenvolveuse software para axudar ao proceso usando o programa CAD. Isto permite aos investigadores usar un computador para determinar o modo de crear as grampas correctas necesarias para xerar unha certa forma. Un destes programas chamado caDNAno é un programa de código aberto para crear estruturas a partir do ADN. O uso de software non só facilitou o proceso senón que tamén reduciu drasticamente os erros feitos por cálculos manuais.[5]
Aplicacións
[editar | editar a fonte]Na literatura suxeríronse moitas aplicacións comerciais, incluíndo a inmobilización de encimas, cápsulas que transportan fármacos, e autoensamblaxe nanotecnolóxica de materiais. Aínda que o ADN non é a elección natural para a construción de estruturas activas para aplicacións nanorrobóticas (debido á súa falta de versatilidade estrutural e catalítica), varias publicacións examinaron a posibilidade de crear "camiñantes" moleculares sobre o origami e interruptores para a computación algorítmica.[7][8] A seguinte lista contén algunhas das aplicacións levadas a cabo en laboratorios con potencial clínico.
- Os investigadores da Universidade Harvard do Instituto Wyss informaron da autoensamblaxe e autodestrución de vasos para a entrega de fármacos usando o ADN origami en probas de laboratorio. O ADN nanorrobot que crearon é un tubo de ADN aberto cunha bisagra nun lado que pode ser pechada. O fármaco enche o tubo de ADN que se mantén pechado por un aptámero de ADN, configurado para identificar e buscar certas proteínas relacionadas con doenzas. Unha vez que os nanobots origami chegan ás células infectadas, os aptámeros desmóntanse e liberan o fármaco. O primeiro modelo de doenza que os investigadores usaron foi a leucemia e o linfoma.[9]
- Os investigadores do Centro Nacional para a Nanociencia e a Tecnoloxía de Pequín e da Universidade do Estado de Arizona informaron da creación dun vehículo de ADN origami para a entrega de doxorrubicina, un fármaco anticancro ben coñecido. O fármaco estaba unido non covalentemente a nanoestruturas de ADN origami por medio da intercalación e conseguiuse unha alta carga de fármaco. O complexo ADN-doxorrubicina foi captado por células cancerosas de adenocarcinoma de mama humano (MCF-7) por medio da internalización celular con moita maior eficiencia que a doxorrubicina en forma libre. A potenciación da actividade de matar as células cancerosas observouse non só nas MCF-7 normais, senón que, o que é máis importante, tamén en células resistentes á doxorrubincina. Os científicos teorizaron que o ADN origami cargado de doxorrubicina inhibe a acidificación lisosómica, o que ten como resultado a redistribución celular dos fármacos aos sitios de acción, o que incrementaría a súa citotoxicidade contra as células tumorais.[10][11]
- Nun estudo levado a cabo no iNANO center e CDNA Center na Universidade de Aarhus (Aarhus, Dinamarca), os investigadores construíron unha pequena caixa de ADN origamni en 3D multi-interruptor. A nanopartícula proposta foi caracterizada por microscopio de forza atómica (AFM), microscopio electrónico de transmisión (TEM) e transferencia de enerxía de resonancia de Förster (FRET). A caixa constuída tiña un mecanismo singular para volver a pecharse, que permitía que fose aberta e pechada repetidamente en resposta a un conxunto de chaves de ADN ou ARN específicas. Os autores propuxeron que este "dispositivo de ADN pode utilizarse potencialmente para unha ampla gama de aplicacións, como controlar a función de moléculas, entrega de drogas controlada, e computación molecular.".[12]
- Os nanorrobots feitos de ADN origami demostraron capacidades de computación e completaron tarefas preprogramadas dentro de organismos vivos como informou un equipo de bioenxeñeiros no Instituto Wyss da Universidade Harvard e no Instituto de Nanotecnoloxía e Materiais Avanzados da Universidade Bar-Ilan. Como proba do concepto, o equipo inxectou varios tipos de nanobots (o ADN enroscado que encapsulaba moléculas con marcadores fluorescentes) en cascudas vivas. Rastrearon os marcadores dentro das cascudas e atoparon que se producía a entrega das moléculas cunha grande exactitude (liberadas polo ADN desenroscado) en células diana; as interaccións entre os nanobots e o control son equivalentes a un sistema computerizado. A complexidade das operacións lóxicas, as decisións e accións, aumentan co incremento do número de nanobots. O equipo de investigadores estimou que o poder de computación na cascuda podía ser escalado ata o dunha computadora de 8-bits.[13][14]
- O ADN pode ser pregado formando un octaedro e cuberto cunha capa simple de fosfolípidos, imitando a envoltura dunha partícula de virus. As nanopartículas de ADN, cada unha de aproximadamente o tamaño dun virión, poden permanecer en circulación durante horas despois de seren inxectadas en ratos. Ademais, isto tamén orixina respostas inmunitarias moito menores que as partículas non cubertas. Presenta un uso potencial na entrega de fármacos en puntos determinados.[15][16]
Enfoques similares
[editar | editar a fonte]Tamén se presentou a idea de usar o deseño de proteínas para conseguir os mesmos obxectivos que co ADN origami. Os investigadores do Instituto Nacional de Química de Eslovenia están traballando no uso do deseño racional do pregamento das proteínas para crear estruturas moi similares ás orixinadas co ADN origami. O foco principal da investigación actual no deseño do pregamento de proteínas é o campo da entrega de fármacos en partes determinadas, usando anticorpos unidos a proteínas como unha forma de crear un vehículo dirixido a puntos determinados.[17][18]
Notas
[editar | editar a fonte]- ↑ Bai, X. C.; Martin, T. G.; Scheres, S. H. W.; Dietz, H. (2012). "Cryo-EM structure of a 3D DNA-origami object". Proceedings of the National Academy of Sciences 109 (49): 20012–20017. doi:10.1073/pnas.1215713109. PMC 3523823. PMID 23169645.
- ↑ Structural DNA nanotechnology: from design to applications Zadegan, R.M.; Norton, M.L (2012). "Structural DNA Nanotechnology: From Design to Applications". Int. J. Mol. Sci 13: 7149–7162. PMC 3397516. PMID 22837684. doi:10.3390/ijms13067149.
- ↑ Nature, Volume 440 (7082) March 16, 2006
- ↑ {http://www.nature.com/news/2010/100310/full/464158a.html 'Nature, Volume 464 March 10, 2010"}
- ↑ 5,0 5,1 "Rapid prototyping of 3D DNA-origami shapes with caDNAno", "Oxford Journal", May 11, 2009
- ↑ 6,0 6,1 Rothemund, Paul W. K. (2006). "Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns". Nature 440 (7082): 297–302. ISSN 0028-0836. PMID 16541064. doi:10.1038/nature04586.
- ↑ 7,0 7,1 Lin, Chenxiang; Liu, Yan; Rinker, Sherri; Yan, Hao (2006). "DNA Tile Based Self-Assembly: Building Complex Nanoarchitectures". ChemPhysChem 7 (8): 1641–7. PMID 16832805. doi:10.1002/cphc.200600260.
- ↑ DNA 'organises itself' on silicon,BBC News, August 17, 2009
- ↑ Garde, Damian (May 15, 2012). "DNA origami could allow for ‘autonomous’ delivery". fiercedrugdelivery.com. Arquivado dende o orixinal o 24 de setembro de 2015. Consultado o May 25, 2012.
- ↑ "Folded DNA becomes Trojan horse to attack cancer". NewScientist. 18 August 2012. Consultado o 22 August 2012.
- ↑ Jiang, Qiao; Song, Chen; Nangreave, Jeanette; Liu, Xiaowei; Lin, Lin; Qiu, Dengli; Wang, Zhen-Gang; Zou, Guozhang; Liang, Xingjie; Yan, Hao; Ding, Baoquan (2012). "DNA Origami as a Carrier for Circumvention of Drug Resistance". Journal of the American Chemical Society 134 (32): 13396–13403. doi:10.1021/ja304263n.
- ↑ M. Zadegan, Reza; et, al. (2012). "Construction of a 4 Zeptoliters Switchable 3D DNA Box Origami". ACS Nano 6 (11): 10050–10053. doi:10.1021/nn303767b.
- ↑ Spickernell, Sarah (8 April 2014). "DNA nanobots deliver drugs in living cockroaches". New Scientist. Consultado o 9 June 2014.
- ↑ Amir, Y; Ben-Ishay, E; Levner, D; Ittah, S; Abu-Horowitz, A; Bachelet, I (2014). "Universal computing by DNA origami robots in a living animal". Nature Nanotechnology (Nature) 9 (5): 353–357. doi:10.1038/nnano.2014.58.
- ↑ Gibney, Michael (23 April 2014). "DNA nanocages that act like viruses bypass the immune system to deliver drugs". fiercedrugdelivery.com. Arquivado dende o orixinal o 20 de setembro de 2015. Consultado o 19 June 2014.
- ↑ Perrault, S; Shih, W (2014). "Virus-Inspired Membrane Encapsulation of DNA Nanostructures To Achieve In Vivo Stability". ACS Nano (ACS) 8 (5): 5132–5140. doi:10.1021/nn5011914.
- ↑ Peplow, Mark (28 April 2013). "Protein gets in on DNA’s origami act". Nature. doi:10.1038/nature.2013.12882.
- ↑ Zadegan, Reza M.; Norton, Michael L. (June 2012). "Structural DNA Nanotechnology: From Design to Applications". Int. J. Mol. Sci. 13 (6): 7149–7162. PMC 3397516. PMID 22837684. doi:10.3390/ijms13067149.
