Las nanoestructuras de ADN se convierten en megaestructuras a escala micrométrica
21 de diciembre de 2022
El nuevo enfoque de nanofabricación de ADN permite el ensamblaje de alto rendimiento de megaestructuras complejas de múltiples origami, con potencial para muchas aplicaciones biológicas y no biológicas
Por Benjamin Boettner
(BOSTON) — Las nanoestructuras de ADN ensambladas a partir de secuencias de ADN más cortas como bloques de construcción han despertado durante mucho tiempo la imaginación de los bioingenieros porque su tamaño, forma y funciones programables con precisión podrían abrir una plétora de posibilidades biológicas y no biológicas. Si pudieran construirse para ser lo suficientemente grandes y complejos, podríamos aprovecharlos para crear instrumentos ópticos altamente programables, herramientas inteligentes de administración de medicamentos y objetos que realicen funciones de una célula viva o instruyan el comportamiento celular de formas complejas, desde la nanoescala hasta .
Crisscross polymerization
Descripción general del ensamblaje entrecruzado de listones de origami de ADN (origami entrecruzado). La fila superior describe la composición de una megaestructura de ADN que comienza con una pequeña estructura de semilla de «parrilla» a la que se agrega un conjunto de listones de origami de ADN únicos. La fila del medio muestra la amplitud y la escala relativa de las megaestructuras creadas por los investigadores utilizando su enfoque de origami entrecruzado. La fila inferior muestra cintas y láminas de ADN cultivadas en una dimensión (izquierda) y dos dimensiones (centro), así como una ilustración de cómo se pueden ensamblar listones de origami de forma automatizada combinando hebras de ADN de una biblioteca de hebras usando un líquido robótico manipulador. Crédito: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard
En el ensamblaje del » origami de ADN «, la estrategia de nanofabricación más común para tales nanoestructuras de ADN, se pliega una larga hebra de andamiaje de ADN en un objeto tridimensional que se mantiene en su forma deseada por una multitud de hebras básicas complementarias que » tire” del andamio en la forma deseada. Sin embargo, el tamaño máximo de un objeto de origami de ADN está limitado por sus hebras de andamio, que se vuelven propensas a cortarse más allá de cierta longitud. Los investigadores han tratado de crear estructuras más grandes ensamblando origamis individuales, pero vincularlos entre sí de manera eficiente ha sido un desafío. Hasta ahora, estos obstáculos han impedido la creación de nanoestructuras de ADN por encima del rango de submicrones, lo que expandiría significativamente su usabilidad en aplicaciones del mundo real.
Las nanoestructuras de ADN se convierten en megaestructuras a escala micrométrica. Ahora, un equipo del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de la Universidad de Harvard y el Instituto del Cáncer Dana-Farber (DFCI) ha encontrado una solución a este problema. Extendieron su concepto previamente desarrollado de » polimerización entrecruzada » a bloques de construcción de origami de ADN estables y muy diversos prefabricados. Esto les permitió ensamblar más de 1,000 origami de ADN de una manera estrictamente dependiente de la semilla en las primeras megaestructuras de ADN de múltiples micrones con formas y superficies personalizadas que se pueden abordar y modelar completamente con moléculas funcionales a nanoescala. El método de «origami entrecruzado» se publica en Nature Nanotechnology .
Creemos que el origami entrecruzado es el mayor avance en el autoensamblaje programable de formas complejas desde la llegada del origami de ADN.
William M Shih
“Creemos que el origami entrecruzado es el mayor avance en el autoensamblaje programable de formas complejas desde la llegada del origami de ADN. Los esfuerzos de los últimos quince años en el ensamblaje jerárquico de origami de ADN no idéntico en estructuras más grandes no han logrado avanzar ni cerca de la eficiencia de las hebras básicas que se incorporan en un solo origami de ADN”, dijo William Shih , Ph.D., miembro de la facultad de Wyss Core. ., quien dirigió el equipo. Shih codirige la Iniciativa de Robótica Molecular del Instituto Wyss y también es profesor en la Escuela de Medicina de Harvard (HMS) y DFCI.
A partir de un solo origami de ADN, que se desarrolló en 2006, duplicar su tamaño cada dos años habría predicho una megaestructura de mil origami como las creadas en el nuevo estudio para surgir en 2026. La invención del origami entrecruzado ahora ha acortó este plazo. “Nuestro trabajo marca el ritmo para avanzar en la complejidad de las nanoestructuras de ADN por delante de una duplicación al estilo de la Ley de Moore cada dos años, y prevemos que las extensiones relativamente simples de nuestro método deberían ser capaces de acelerar el origami entrecruzado en varias duplicaciones más en los próximos años”, dijo Shih.
Desde origami de un solo ADN hasta megaestructuras de múltiples origami
El origami entrecruzado se basa en el concepto de «polimerización entrecruzada dependiente de la semilla» que el equipo de Shih había desarrollado en un estudio anterior . Los investigadores descubrieron una forma de iniciar el crecimiento de «cintas» de ADN solo en presencia de una semilla preformada. Usando esta estrategia de nanofabricación, los bloques de construcción hechos de cadenas únicas de ADN llamadas «láminas» se programan para unirse primero a la semilla y luego al extremo de la cinta que crece constantemente al formar interacciones débiles con una gran cantidad de otras láminas. Cada interacción individual entre un par aislado de tablillas es demasiado débil para sostener la formación de una estructura estable, de modo que no se formarán cintas a menos que la semilla esté presente.
Al ajustar cuidadosamente la fuerza de las interacciones específicas entre los listones, logramos un crecimiento absoluto de megaestructuras dependiente de las semillas y aprovechamos ese control para crear la estructura de origami de múltiples componentes más compleja jamás demostrada.
Chris Wintersinger
En su nuevo estudio, Shih y su equipo plantearon la hipótesis de que el principio de la polimerización entrecruzada dependiente de las semillas podría generalizarse a un bloque de construcción significativamente más complejo: un listón de origami de ADN ya prefabricado con una masa un par de cientos de veces mayor que la de un origami lineal. Secuencia de listones de ADN. «Al ajustar cuidadosamente la fuerza de las interacciones específicas entre los listones, logramos un crecimiento absoluto de megaestructuras dependiente de las semillas y aprovechamos ese control para crear la estructura de origami de múltiples componentes más compleja jamás demostrada», dijo Chris Wintersinger , Ph.D., uno de tres coautores, que realizaron su trabajo de tesis con Shih en el Instituto Wyss y DFCI como estudiante de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson(MARES). “Con este método, demostramos el crecimiento completo de estructuras a escala de una sola micra, cada una compuesta por 1022 monómeros de origami diferentes. Vemos esto como un camino hacia dispositivos de autoensamblaje con niveles de complejidad que comienzan a rivalizar con los sistemas que vemos en las células vivas”. Wintersinger ahora es Gerente de Programas en Speculative Technologies.
Las nanoestructuras de ADN se convierten en megaestructuras a escala micrométrica
Como recurso para este estudio y los futuros esfuerzos de nanofabricación a gran escala, los investigadores compilaron una biblioteca de aproximadamente 2000 hebras de ADN que se pueden combinar para ensamblar cualquiera de un quindecillón (un uno seguido de 48 ceros) listones de origami de ADN distintos, brindándoles un amplio espacio de diseño. Alimentaron sus diseños estructurales a un algoritmo computacional que seleccionó los sitios de unión para cada listón de la biblioteca de hebras, y luego usaron un robot acústico de manejo de líquidos para realizar las transferencias de fluidos necesarias para hacer cada bloque de construcción de listones de origami. Además de las megaestructuras compuestas por muchos listones únicos, Shih y su equipo también crearon cintas 1D periódicas y láminas 2D.
Anastasia and Dionis Crisscross Start up
«Con nuestras megaestructuras a escala micrométrica, demostramos que podemos modelar intrincadamente las superficies de la megaestructura con una amplia gama de ‘invitados’ moleculares funcionales para futuras aplicaciones biológicas y no biológicas», dijo el coautor Dionis Minev , Ph.D. Minev, también graduado de SEAS y ahora científico de plantilla en el Instituto Wyss, se asoció con Wintersinger al principio de su trabajo de posgrado para desarrollar el paradigma de polimerización entrecruzada. A ellos se unió la tercera coautora Anastasia Ershova, una estudiante graduada del equipo de Shih. Por separado, Minev y Ershova están buscando la polimerización entrecruzada dependiente de semillas de ADN monocatenario como un enfoque de diagnóstico en el Instituto Wyss ( Detección de nanosemillas entrecruzadas ).
Agregar función al tamaño
Para funcionalizar sus megaestructuras, los investigadores adjuntaron secuencias de manejo adicionales a sus listones de origami que podrían aceptar moléculas invitadas, como agentes de contraste de tamaño nanométrico o hebras de etiquetas fluorescentes.
Peng Yin
Esto les permitió visualizar sus productos no solo utilizando una técnica de imagen molecular común llamada microscopía electrónica de transmisión (TEM), sino también un enfoque diferente impulsado por nanotecnología de ADN para microscopía de alta resolución conocido como DNA-PAINT , que fue desarrollado por co- autor y miembro de la facultad de Wyss Core Peng Yin, Doctor. y su grupo. “Para ilustrar las capacidades de funcionalización del origami entrecruzado, generamos y visualizamos megaestructuras que mostraban diseños con patrones intrincados, como una pieza de rompecabezas, una cara feliz y los logotipos institucionales de algunas de nuestras afiliaciones”, agregó Minev.
Pensando en el futuro, el equipo visualiza numerosas aplicaciones para su novedoso enfoque de nanofabricación. “La nanofabricación con origami entrecruzado abre una miríada de posibilidades de cómo podemos construir mejor en distancias más grandes con menos tasas de error. El gran tamaño y las capacidades de funcionalización de tales megaestructuras podrían permitir el desarrollo de nuevos instrumentos ópticos similares a lentes con unidades sensibles a la luz dispuestas a nanoescala y, emocionantemente, arquitecturas del tamaño de una célula con la capacidad de controlar el comportamiento de las células”, dijo Ershova. . Tales grandes megaestructuras de ADN, por ejemplo, podrían usarse para instruir a las células del sistema inmunológico en formas sutiles pero más efectivas para permitirles combatir mejor los tumores, o las células en los tejidos lesionados para entrar en modo de reparación. Las nanoestructuras de ADN se convierten en megaestructuras a escala micrométrica
“Este enfoque fundamentalmente nuevo de construir objetos funcionales utilizando ADN como material programable con una precisión sin precedentes y en un rango de tamaño que antes no era accesible es un verdadero hito para la nanotecnología de ADN que abre una plétora de nuevas y emocionantes posibilidades para que interactuemos. con nuestros entornos físicos y biológicos”, dijo el Director Fundador de Wyss, Donald Ingber , MD, Ph.D., quien también es Profesor Judah Folkman de Biología Vascular en la Facultad de Medicina de Harvard y el Hospital Infantil de Boston, y Profesor Hansjörg Wyss de Ingeniería Bioinspirada en MARES.
Otros autores del estudio están presentes y los ex miembros del Instituto Wyss, Hiroshi Sasaki, Gokul Gowi y Jonathan Berengut, y Eduardo Corea-Dilbert de DFCI. El estudio fue financiado por el Instituto Wyss, la Fundación Nacional de Ciencias (premio DMREF n.° 1435964 y premio n.° CCF-1317291), la Oficina de Investigación Naval (premio n.° N00014-15-1-0073 y N00014-18-2566) y National Institutos de Salud (Premio NIGMS # 5R01GM131401).
- TECNOLOGÍA WYSS – Detección de nanosemillas entrecruzadas: Diagnóstico de enfermedades infecciosas impulsado por nanotecnología
- PUBLICACIÓN – Nanotecnología de la naturaleza : estructuras entrecruzadas de varias micras cultivadas a partir de listones de origami de ADN