"Vivir en el mundo sin conocer las leyes de la naturaleza es como ignorar la lengua
del país en el que uno ha nacido"


Hazrat Inayat Khan (místico musulmán sufí)
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- Fabricar con ADN

Cuando oímos o leemos algo relacionado con el ADN, inmediatamente pensamos, antes de enterarnos del contenido exacto, que tratará sobre el material hereditario de algún ser vivo. Hasta ahora no hemos tenido motivos para pensar de otra manera. Poco a poco tendremos que cambiar este juicio previo, que no prejuicio, para preguntarnos si tratará del ADN biológico o del ADN tecnológico.



En dos ocasiones he hablado en este blog sobre la aplicación de la molécula de ADN, la de un ADN sintetizado en el laboratorio, en tres aplicaciones ajenas al mundo biológico: en el uso del ADN como memoria de un futuro ordenador, su aplicación en el marcado de objetos costosos para protección contra el robo y como detector de partículas de la materia oscura del Universo. Hoy les quiero contar algunas noticias sobre su aplicación a la nanotecnología.


      En 1982 Ned Seeman, en la Universidad Estatal de Nueva York, buscaba la manera de orientar moléculas difíciles de cristalizar con objeto de estudiar su estructura. En esta búsqueda se le ocurrió que el ADN podría ayudar en este propósito. Inspirado por la estructura de recombinación de dos moléculas de ADN, propuesta por Holliday años antes, y el grabado de Escher "Depth" (representado en la primera figura), pensó e ideó la forma en que se podrían usar moléculas de ADN para fabricar una malla o un cubo. Convirtió en realidad el dicho popular "hacer de la necesidad virtud" marcando los primeros pasos de lo que sería la fructífera utilización del ADN en nanotecnología, lo que fue reconocido en 1995 con el Premio Feynman en Nanotecnología.

      El origen del uso del ADN para fabricar nano-objetos está en sintetizar cuatro cadenas, que pueden ser de unos 20 nucleótidos (nt), con las siguientes secuencias (a partir del extremo 5'): ZAB, Z'CD, YD'A', Y'B'C' en las que Z e Y tienen 4 nt y A-D 10 nt. Las secuencias denominadas por una misma letra, con y sin apóstrofe, son complementarias y, por tanto, secuencias por donde se unen dos cadenas, y hay que saber que las cadenas de ADN se unen, o se hibridan, formando una doble hélice (la típica estructura de la molécula completa de ADN) en la que ambas cadenas son antiparalelas (como dos flechas en direcciones contrarias en las que la punta de cada flecha se conoce como el extremo 3' y el extremo contrario 5', y es a partir de este último extremo desde donde se escriben siempre las secuencias de ADN). Dándoles las condiciones para que hibriden, estas cadenas generarán primero cruces (segunda figura) para luego unirse las cruces por las secuencias Z-Z' y por Y-Y' y formar una malla bidimensional. Con un papel y lápiz y un poco de imaginación pueden descubrir que las cadenas circulares cerradas (con los extremos unidos) ABCD y EFGH junto con las cadenas abiertas o lineales con las secuencias: YZA'R, XVB'Z', TUC'V', SR'D'U', S'PE'O, T'QF'P', X'MG'Q', Y'O'H'M', siendo las secuencias A-H de 15 nt y el resto de 5 nt, darían, por hibridación de todas ellas, un cubo de 15 nt de lado (tercera figura). Como pueden advertir, si se entretienen en ver cómo se hacen la malla o el cubo, el mismo ADN sirve para las estructuras y es el pegamento que las une (ver en la siguiente entrada cómo se diseña y se realiza la hibridación o unión de estas cadenas de ADN para dar "Mallas y cubos de ADN").


De forma similar se han obtenido tetraedros, dodecaedros e icosaedros, similares éstos a la estructura fullereno del carbono, tubos de diferentes constituciones y, más recientemente, incluso a la fabricación de nanorobots para contener cualquier molécula en su interior y que pueden abrirse y cerrarse a voluntad.

Como tema de tesis doctoral presentada en 2012 en la Universidad de Harvard, Shawn M. Douglas fabricó con ADN una caja de 35 por 45 nm (un nanometro, nm, es la millonésima parte de un milímetro) formada por dos partes que están unidas por dos bisagras en un extremo y dos cierres en el extremo opuesto, todo hecho exclusivamente con ADN (cuarta figura). En el interior de la caja puso un anticuerpo que se une a la membrana de los linfocitos y con los dos cierres preparados para que sólo se abrieran en presencia de células de determinados linfomas y neuroblastomas. Los resultados con cultivos de células con diferentes tipos de cánceres han sido espectaculares al unirse los anticuerpos exclusivamente a las células que permitían que se abriera el nanorobot, es decir, que tuvieran la llave de la caja. Se espera que esta tecnología esté preparada muy pronto para las primeras pruebas con animales y después con humanos, para convertirse en una impresionante herramienta en la lucha contra muchos tipos de cánceres.


Esta nanotecnología abre muchas expectativas para su aplicación a terapias celulares muy específicas y que hasta ahora eran impensables por la inaccesible localización de muchas células y tejidos alterados. Una posible aplicación pienso que podría ser la terapia génica de órganos y tejidos dañados por algunas enfermedades hereditarias causadas por un gen, como Alzheimer, Parkinson, Huntington, Duchenne, hemofilia, diabetes, fenilcetonuria y muchas otras. Con esta tecnología no habría que usar virus atenuados como vehículos para llevar el gen terapéutico, que además no cabrían en este tipo de nanocajas, sino que sería el nanorobot el encargado de llevar el gen y localizar las células donde debe ser introducido (el nanorobot mencionado en el párrafo anterior tiene un espacio de carga inferior a 30x30x40 nm, mientras que el virus VIH tiene un diámetro de 100 nm). Quedaría por inventar el método de introducir el gen en el núcleo celular e integrarlo en un cromosoma. Para esta metodología quizás nos ayudarán pronto los transposones, como los pertenecientes a la familia Tc1/Mariner, tales como Hsmar1, Sleeping Beauty o Frog Pince (sí, Bella Durmiente y Rana Príncipe, ¿es que no se pueden usar nombres tan de cuentos infantiles como estos para denominar a un transposón?, y no es más científico si se le hubiera llamado TKW47H sino más enrevesado y difícil de recordar). Estos tansposones son secuencias de ADN de entre 1.300 y 2.400 nt, de las que tenemos en nuestro genoma unas 20.000 copias, y contienen el gen de la transposasa, una enzima que le permite su introducción en otras partes de la misma o distinta molécula de ADN.

De esta forma se trabajaría con nanorobots de ADN sintético para transportar ADN natural a las células que lo requieran. Parece ficción pero están al alcance de la mano y en un par de décadas podrían estar disponibles.

Referencias usadas
Seeman, N.C. 1982. Nucleic acid junctions and lattices. J. theor. Biol. 99, 237-247
Seeman, N.C. y Kallenbach, N.R. 1983. Design of immobile nucleic acid junctions. Biophys. J. 44, 201-209.
Chen, J. ySeeman, N.C. 1991. Synthesis from DNA of a molecule with the connectivity of a cube. Nature 350, 631-633.
Sharma,J. y otros. 2009. Control of Self-Assembly of DNA Tubules Through Integration of Gold Nanoparticles. Science 323, 112-116.
Douglas,S.M.,Bachelet, I. y Church, G.M. 2012. A Logic-Gated Nanorobot for Targeted Transport of Molecular Payloads. Science 335, 831-834.
Una película sobre los autores y la estructura del robot pueden verla en http://vimeo.com/36880067   
Presentación sobre nanotecnología con ADN.
Revisión interesante, y gratis, sobre nanotecnología con ADN.
Aqui puedes bajarte gratis una excelente revisión sobre transposones: bfg.oxfordjournals.org/content/7/6/444.full.pdf  o algo más específico sobre Sleeping Beauty