3-ADN origami I

L'ADN origami és el plegament a nanoescala de l'ADN per crear arbitràriament formes de 2 i 3 dimensions a nanoescala. Les interaccions entre els parells de bases complementaries fa de l'ADN un útil material de construcció a través de l'ordenament de les seves bases. Va ser desenvolupat per Paul Rothermundat en l'Institut Tecnològic de California. L'ADN origami és el "paisatge" per on es mouran els nanorobots d'ADN ja que amb l'ADN origami és podrà construir un espècie de camp format per molècules d'ADN situades en paral·lel unides entre si i d'aquestes sortiran perpendiculars al pla tot un seguit de cadenes simples i dobles d'ADN que formaran el camí per on es mourà el nanorobot i li proporcionaran informació. A continuació explicaré un procés proposat per Paul Rothermundat, relativament senzill de crear ADN origami amb la forma desitjada:

Els ADNs origami utilitzats en els nanorobots d'ADN s'ha fabricat seguint un procés similar a aquest tot i que, òbviament, són més complexes donat que la forma que han que tenir és més complexa (imatges sobre la seva forma en ADN origami II).

El disseny de L'ADN origami és realitza en cinc pasos, els dos primers a mà i els últims tres amb l'ajuda de l'ordinador. El primer pas és construir un model geomètric de l'estructura de l'ADN que s'aproximarà a la forma desitjada. La Imatge a mostra l'exemple d'una possible forma (contorn en vermell) que fa 33 nm d'ample i 35 nm d'alçada. La forma és omplida de dalt a baix per un nombre parell de dobles hèlix (representades per cilindres en la imatge a). Les hèlix són tallades per que s'adeqüin al model en seqüències de dos de manera que el nombre de voltes que fa cada hèlix sigui un nombre enter. Cada divisió en els cilindres de la imatge representa una volta de l'hèlix, d'aquesta manera, les dos primeres dobles hèlix fan 3 voltes per exemple. Cada volta fa 3.6 nm de llarg i les hèlix fan 2 nm de diàmetre.

Per mantenir totes les hèlix unides entre si s'incorpora una sèrie d'encreuaments que periòdicament es van repetint al llarg de la figura. Aquest encreuaments, marcats en blau en la imatge a, es produeixen cada 1.5 voltes en aquest exemple, que equival a 16 bases. La distància entre aquests encreuaments ha de ser, per força, un nombre imparell de mitges voltes per a que en el punt d'encreuament el nombre de bases sigui enter (com en aquest cas, que en 1.5 voltes hi ha 16 bases). Aquests encreuaments designen les posicions en les quals les cadenes d'ADN passen d'una hèlix a una altra adjacent i continuen en aquella hèlix. Aquests encreuaments s'entendran millor un cop acabada tota l'explicació del procés. Com es pot apreciar en la imatge a, les dobles hèlix (representades per tubs) no s'ajunten entre elles, això és dona segurament per repulsions electrostàtiques entre les hèlix però no se sap del tot. Per consegüent la resolució exacta de l'alçada dependrà de l'espai entre les hèlix. Aquest espai depèn de la distància entre els encreuaments. En aquest exemple els encreuaments es donen cada 1.5 voltes i l'espai que deixen entre les hèlix és de 1 nm.

De moment tots aquests pasos són teòrics, és a dir, tots aquests pasos són només una manera d'arribar fins al disseny final i a partir d'aquest es podrà sintetitzar l'ADN origami. El següent pas, il·lustrat en la imatge b, consisteix en doblegar una única cadena d'ADN llarga (de 900 nucleòtids) i fer-la passar per un patró com el que surt dibuixat de color negre en la imatge b de tal manera que aquesta cadena, anomenada "scaffold strand", sempre comprèn una de les dues cadenes de cadascuna de les hèlix. Perquè sigui més entenedora l'explicació aquesta cadena l'anomenaré cadena patró. La cadena patró al passar d'una hèlix a una altra forma més encreuaments (marcats en vermell en la imatge b). Aquests seran els encreuaments patró. La distància entre els encreuaments a de ser un nombre imparell de mitges voltes per el mateix motiu que els encreuaments periòdics explicats anteriorment. Si ens hi fixem la cadena patró deixa tota una costura en l'eix de simetria per on les hèlix mai es creuen (veure imatge c) això explicaré més tard quines repercussions implicarà i com es soluciona.

Un cop el model geomètric i el recorregut de la cadena patró són dissenyats, s'introdueixen en un programa informàtic dades com la llargada de la cadena patró (mesurada en mitges voltes), l'ordre de bases de tota la cadena i quan es donen els encreuaments. Llavors el programa realitza el tercer pas, el disseny d'una sèrie de cadenes simples d'ADN (marcades en la imatge c amb línies de colors), anomenades staple strands, que proporcionen les bases complementaries a la cadena patró i formen els encreuaments periòdics. Aquestes cadenes canvien de direcció quan passen per un encreuament (tal i com es mostra en la imatge c) de tal manera que sempre van en sentit contrari a la cadena patró, una configuració estable característica en les nanoestructures d'ADN. Si ens hi fixem en la imatge c sembla que en els encreuaments dels extrems de les hèlix no hi hagi bases complementaries però en realitat el que passarà és que les hèlix s'ajuntaran en els extrems de tal manera que cada encreuament es complementarà a si mateix deixant només un fosfat en els extrems. Aquest doblegament dels encreuaments dels extrems no varia extremadament la amplada de l'ADN origami.

Minimitzar la tensió i equilibrar els girs en els encreuaments es complicat perquè els encreuaments no tenen un nombre de bases enter, ja que només fan mitja volta de llarg (5.25 bases), i perquè les hèlix són asimètriques. Per consegüent, per equilibrar la cadena s'ha de desplaçar la simetria de la cadena. Aixó significa que tots els encreuaments periòdics faràn una petita corba per aconseguir corregir el problema. Aquesta corba apuntarà cap a dalt o cap a baix alternant la direcció d'hèlix en hèlix. Si ens hi fixem, en la imatge d els triangles petits en negre representen els encreuaments en els quals la corba apunta cap a baix, en els blaus la corba apunta cap a dalt i els que estan en vermell són els encreuaments de la cadena patró. En l'extrem superior esquerra de la imatge podem veure els tres tipus d'encreuaments vists des de l'esquerra.

Al equilibrar els encreuaments la cadena patró queda desequilibrada. Per equilibrar-la en el quart pas es torna a calcular el gir dels encreuaments de la cadena patró i la seva posició es desplaça normalment una base per reduir la tensió de la cadena. Les posicions de les demés cadenes individuals són, també, recalculades perquè s'adeqüin a la cadena patró. En la representació dels encreuaments vists des de l'esquerra en la imatge d també podem veure com l'encreuament de la cadena patró fa una corba (triangle vermell) això es dona perquè és els encreuaments periòdics de la secció 2 (veure imatge d) presionen els encreuaments de la cadena patró. Aquesta corba es deixa tal i com està.

Allà on es trobin dos cadenes simples és formarà un nick. A la imatge c estan marcades 2 de les moltes posicions on hi hauran nicks i en la imatge d també es poden veure dues posicions de nicks marcades i en el cantonada superior dreta una imatge de l'estructura d'un nick.

En l'últim pas, per augmentar l'unió entre les cadenes simples i la cadena patró, que resultarà en un augment de la temperatura de fusió de l'ADN origami, les cadenes simples que es "toquen" per les puntes es fusionen per els extrems a traves dels nicks tal i com es mostra en la imatge e. A més, per a que la "costura" central sigui més forta les cadenes simples que estan a banda i banda de l'eix de simetria de l'ADN origami en una mateixa hèlix s'uneixen. D'aquesta manera el disseny de l'estructura de l'ADN origami es finalitza. La imatge e correspondria al disseny final de l'ADN origami d'aquest exemple.

La següent imatge mostra alguns exemples d'ADNs origamis que contenen un esquema de la cadena patró, una aproximació per ordinador de com es veurà en la realitat, una imatge real de la figura i una altra d'un grup de la mateixa figura per cada exemple.

En la següent pàgina veurem els dissenys dels ADN origami dels nanorobots moleculars. Per accedir-hi només cal que feu click en "pagina següent" al final d'aquesta pàgina o en l'enllaç "ADN origami II" que es troba en l'índex situat a la part superior esquerra d'aquesta pàgina.

Pàgina següent