El ADN (ácido desoxirribonucleico) es un polímero natural generado a partir de cuatro tipos de nucleósidos: adenosina, guanosina, citidina y timidina, donde cada uno de estos nucleósidos está compuesto de un azúcar (desoxirribosa) y una base nucleica (adenina, guanina, citosina y timina) (Figura 1).
Estos nucleósidos se encuentran en el ADN conectados mediante grupos fosfato, dando lugar a las cadenas de ADN. En nuestras células el ADN se encuentra en forma de doble cadena donde las dos hebras están dispuestas en sentido opuesto. Esta estructura de doble hebra es muy estable debido a la formación de enlaces de hidrógeno entre las bases nucleicas de una cadena y su complementaria, formando la adenina dos enlaces de hidrógeno con la timina y la guanina tres con la citosina.
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Debido a su estabilidad, esta macromolécula ha sido utilizada por los seres vivos durante miles de años para almacenar toda la información de lo que son, como su forma, su tamaño, su color, o su función, y esta información es transmitida de padres a hijos mediante su replicación.
A diferencia de los sistemas digitales presentes en nuestros ordenadores o teléfonos móviles que utilizan unos y ceros, el ADN utiliza secuencias de nucleótidos generadas mediante la combinación de los cuatro nucleósidos naturales: adenosina, guanosina, citidina y timidina.
La información almacenada en cada célula es enorme y para codificarla utilizando el código de nucleósidos es necesario entre 2 y 3 metros de ADN. Esto implica que en un ser humano adulto todo el ADN de sus células abarca una distancia de 2x1013 metros, que es aproximadamente la distancia recorrida en ir y volver de la tierra al sol 70 veces.
Afortunadamente esta macromolécula está excepcionalmente empaquetada en los cromosomas y ocupa una pequeña parte del núcleo celular.
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Figura 1. Estructura del ADN |
El ADN, además de ser un extraordinario sistema de almacenamiento de información, puede ser utilizado como elemento de construcción. No en la construcción de edificios ni autopistas si no en la construcción a un nivel mucho más pequeño, a un nivel nanométrico.
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| El ADN, además de ser un extraordinario sistema de almacenamiento de información, puede ser utilizado como elemento de construcción |
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Tal y como reza el eslogan de IMDEA-Nanociencia Lo pequeño es diferente, el ADN puede ser utilizado para abordar problemas desde otro punto de vista gracias a su pequeño tamaño. Entre otras aplicaciones, el ADN puede emplearse en la construcción de nuevos sistemas nanométricos completamente diferentes y casi inimaginables. Las características nanométricas del ADN, donde el grosor de una doble cadena de ADN es de unos 2 nanómetros y la longitud necesaria para completar un giro de la cadena de ADN es de 10 nm, hacen de esta molécula un modelo excelente en estudios a nivel nanométrico. Por otra parte, el ADN es además una molécula ideal como sistema de construcción nanométrico debido a la gran estabilidad de una cadena doble de ADN, así como a su capacidad de reconocer secuencias complementarias. Estas características han permitido a diversos grupos de investigación ensamblar entre sí distintas nanoestructuras tales como nanopartículas de oro, nanotubos de carbono o puntos cuánticos. Este proceso tiene lugar mediante la formación de enlaces de hidrógeno entre hebras de ADN complementarias, lo que permite ensamblar dos cadenas de ADN distintas que estén soportadas sobre nanoestructuras (Figura 2). De esta manera, una nanopartícula de oro, por ejemplo, puede incorporarse selectivamente a la superficie de un nanotubo de carbono, creando así una nueva estructura con excelentes propiedades para el desarrollo, en este caso, de nuevos sensores.
Figura 2. Representación de un nanotubo de carbono y nanopartículas de oro funcionalizadas con ADN. Mediante la interacción favorable entre cadenas de ADN complementarias es posible unir diferentes nanoestructuras de una manera muy precisa |
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Lo que es aún más interesante es que el ADN puede utilizarse no sólo en la conexión de nanoestructuras, sino también en la creación de nuevas estructuras de escala nanométrica constituidas exclusivamente por cadenas cortas de ADN. A través de la complementariedad de bases es posible unir diversas hebras de ADN para generar una unión tipo Holliday. Esta unidad formada por ADN puede a su vez unirse entre sí para dar lugar a un entramado en dos dimensiones perfectamente definido (Figura 3a). Otra estrategia que está dando lugar a excelentes resultados es la denominada Papiroflexia de ADN (DNA Origami). En este caso, se utiliza una cadena circular simple de ADN proveniente de un virus o una bacteria y se dobla como en papiroflexia para dar lugar a estructuras de distintas formas.
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Figura 3. Estructuras en dos dimensiones obtenidas mediante ADN |
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En este caso los dobleces no pueden hacerse con la mano, como cuando utilizamos una hoja de papel en la papiroflexia tradicional, y para ello se utilizan secuencias cortas de ADN que forman pequeños dúplex en posiciones concretas.
Estos tramos cortos de doble hebra de ADN, inducen rigidez en ciertas posiciones de la cadena simple de ADN mientras que la fuerzan a doblarse en otras, dando lugar a estructuras nanométricas de formas definidas (Figura 3b).
En este sentido, se han diseñado sistemas que dan lugar a caras sonrientes, mapas del mundo, figuras geométricas, delfines, etc.
En los últimos años se ha abordado incluso la preparación de sistemas en tres dimensiones basados exclusivamente en ADN. |
En este sentido, en IMDEA-Nanociencia hemos publicado recientemente un artículo de revisión sobre este tema en la prestigiosa revista Angewandte Chemie International Edition.
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| ADN puede utilizarse no sólo en la conexión de nanoestructuras, sino también en la creación de nuevas estructuras de escala nanométrica constituidas exclusivamente por cadenas cortas de ADN |
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En estos trabajos se ha conseguido obtener estructuras curvadas con un excelente control en el grado de curvatura, lo que ha permitido preparar espirales o ruedas dentadas constituidas exclusivamente por cadenas de ADN (Figura 4a). Estas estructuras de tamaño nanométrico recuerdan fácilmente a las piezas presentes en el engrane de una máquina pequeña, como las que podemos encontrar en un reloj de cuerda, por lo que es posible pensar que algún día lleguen a utilizarse estas nanopiezas en la construcción de una nanomáquina.
Además, mediante el ensamblaje controlado de cadenas cortas de ADN, se ha conseguido preparar una caja y, lo que es aún más interesante, ésta tiene tapa y su apertura puede controlarse fácilmente. Para abrir la tapa lo único que hay que hacer es añadir unas cadenas cortas de ADN con una determinada secuencia (Figura 4b). Estas cadenas actúan como llaves, donde sólo la secuencia adecuada es capaz de abrir la caja. De esta forma, la caja es prácticamente una nano-caja-fuerte que sólo puede abrirse con la combinación adecuada, la cual está codificada en la secuencia de ADN.
Figura 4. Estructuras en tres dimensiones compuestas por ADN. a) Diversas estructuras curvadas.
b) Caja con tapa |
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Estos experimentos, que pueden parecer un simple pasatiempo de los investigadores, son en realidad un banco de pruebas para explorar la capacidad de estos sistemas en la creación de entramados y estructuras a nivel nanométrico. Es de esperar que el desarrollo de este tipo de sistemas permita en un futuro funcionalizar superficies de una manera muy precisa, dando lugar a microchips altamente sofisticados. Por otra parte, el control de los sistemas 3D podría dar lugar también a piezas muy valiosas en la preparación de nanomáquinas aplicables en distintos campos, como la nanomedicina, donde un contenedor de escala nanométrica podrá transportar una molécula terapéutica y liberarla en la célula diana selectivamente, reduciendo drásticamente los efectos secundarios de la terapia.
Á. Somoza, Evolution of DNA Origami, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 9406-9408.
