Criaturas unicelulares del océano, inspiración para nanotecnologías médicas

Una selección de nanoestructuras construidas con origami de ADN, junto con diato
GRÁFICO DE SHIREEN DOOLING
Publicado 17/07/2018 8:45:19CET

MADRID, 17 Jul. (EUROPA PRESS) -

Las diatomeas, criaturas diminutas y unicelulares que habitan en océanos, lagos, ríos y suelos, y que producen cerca de un cuarto del oxígeno en la tierra, casi tanto como los bosques tropicales del mundo, han servido de inspiración a científicos de la Universidad Estatal de Arizona (Estados Unidos), en colaboración con investigadores del Instituto de Física Aplicada de Shanghai de la Academia de Ciencias de China y la Universidad Jiaotong de Shanghai (China), para la creación de nanotecnologías médicas.

Los expertos, cuyo trabajo ha sido publicado en la revista 'Nature', tomaron prestadas las técnicas que utilizan las diatomeas de origen natural para depositar capas de sílice, el constituyente primario en el vidrio, con el fin de hacer crecer sus conchas intrincadas. Utilizando una técnica conocida como 'origami de ADN', el grupo diseñó plataformas a nanoescala de varias formas a las que las partículas de sílice, atraídas por la carga eléctrica, podrían adherirse.

De esta forma, los expertos demostraron que la deposición de sílice se puede aplicar efectivamente a las arquitecturas sintéticas basadas en ADN, mejorando su elasticidad y durabilidad. En última instancia, el trabajo podría tener aplicaciones de gran alcance en nuevos sistemas ópticos, nanolitografía de semiconductores, nanoelectrónica, nano-robótica y aplicaciones médicas, incluida la entrega de medicamentos.

Concretamente, el método 'origami de ADN' se basa en las propiedades de emparejamiento de bases de los cuatro nucleótidos del ADN, cuyos nombres se abrevian A, T, C y G. La estructura en forma de escalera de la doble hélice de ADN se forma cuando las cadenas complementarias de nucleótidos se unen entre sí.

Y es que, los nucleótidos C siempre se aparean con Gs y el As siempre se empareja con Ts. Este comportamiento predecible se puede explotar para producir una variedad virtualmente ilimitada de formas diseñadas, las cuales se pueden diseñar de antemano. Las nanoestructuras luego se autoensamblan en un tubo de ensayo.

En el nuevo estudio, los investigadores querían ver si las arquitecturas diseñadas con ADN, cada una de apenas 1.000 millonésimas de metro de diámetro, podrían usarse como estructuras estructurales sobre las cuales los exoesqueletos de tipo diatomeas compuestos de sílice podrían crecer de manera precisa y controlable. De hecho, sus resultados han mostrado el poder de este matrimonio híbrido de naturaleza y nanoingeniería, que los autores llaman DNA Origami Silicification (DOS).

"Aquí demostramos que se puede desarrollar la química correcta para producir materiales híbridos de ADN y sílice que reproducen fielmente la información geométrica compleja de una amplia gama de andamios de ADN origami diferentes. Nuestros hallazgos establecieron un método general para crear nanoestructuras de sílice biomiméticas", han explicado los expertos.

Entre los marcos geométricos de ADN diseñados y construidos en los experimentos se encuentran los cruces de dos dimensiones, cuadrados, triángulos y formas de panal-diatomeo DOS, así como cubos tridimensionales, tetraedros, hemisferios, toroides y elipsoides, que se presentan como unidades únicas o retículas.

Una vez que las estructuras de ADN estaban completas, los racimos de partículas de sílice que llevaban una carga positiva se dibujaban electrostáticamente a las superficies de las formas de ADN eléctricamente negativas, creándose durante un período de varios días, como pintura fina aplicada a una cáscara de huevo. Se realizó una serie de micrografías electrónicas de transmisión y de exploración de las formas DOS resultantes, revelando una silicificación precisa y eficiente similar a la diatomea.

El método resultó efectivo para la silicificación de nanoestructuras porosas, curvilíneas y porosas que varían en tamaño de 10 a 1000 nanómetros (las estructuras más grandes tienen aproximadamente el tamaño de las bacterias). El control preciso del espesor de la capa de sílice se logró simplemente mediante la regulación de la duración del crecimiento.

Asimismo, las nanoestructuras híbridas de DOS-diatomeas se caracterizaron inicialmente utilizando un par de poderosas herramientas capaces de revelar sus diminutas formas, microscopía electrónica de transmisión (TEM) y microscopía de fuerza atómica (AFM). Las imágenes resultantes revelaron contornos "mucho más claros" para las nanoestructuras después de la deposición de sílice.

Precisamente, el método de nanofabricación fue tan preciso que los investigadores pudieron producir triángulos, cuadrados y hexágonos con poros uniformes que miden menos de 10 nm de diámetro, el más pequeño hasta la fecha, utilizando la litografía de 'origami de ADN'. Además, la técnica descrita en el nuevo estudio proporciona a los investigadores un control más preciso sobre la construcción de nanoestructuras tridimensionales en formas arbitrarias que, a menudo, son difíciles de producir a través de los métodos existentes.

Por otra parte, en el estudio actual, los investigadores utilizaron AFM para medir la resistencia a la rotura de sus nanoestructuras de ADN aumentadas con sílice. Al igual que sus contrapartes naturales, estas formas mostraron una fuerza y resistencia mucho mayores, mostrando un aumento de 10 veces más en las fuerzas que podían soportar, en comparación con los diseños no solidados, sin embargo, conservaban una flexibilidad considerable.

El estudio también ha puesto de manifiesto que la rigidez mejorada de las nanoestructuras de DOS aumenta con su tiempo de crecimiento. Como señalan los autores, estos resultados concuerdan con las propiedades mecánicas características de los biominerales producidos por la naturaleza, que combinan una durabilidad impresionante con la flexibilidad.

La investigación abre un camino para las innovaciones en nanotecnología inspiradas en la naturaleza en las que las arquitecturas de ADN actúan como plantillas que pueden ser recubiertas con sílice o quizás otros materiales inorgánicos, incluyendo fosfato de calcio, carbonato de calcio, óxido férrico u otros óxidos metálicos, produciendo propiedades únicas.

Tales capacidades, a juicio de los científicos, abrirán nuevas oportunidades para diseñar nanoporos de estado sólido altamente programables con características jerárquicas, nuevos materiales porosos con periodicidad estructural diseñada, cavidad y funcionalidad, plasmónica y metamateriales.

El enfoque bio-inspirado y biomimético demostrado en este documento representa un marco general para el uso con nanofabricación de dispositivos inorgánicos que tiene formas y funciones 3D arbitrarias y ofrece diversas aplicaciones potenciales en campos como la nanoelectrónica, la nanofotónica y la nano-robótica.