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.
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