Las propiedades de emparejamiento de bases del ADN se usaron para construir pequeñas estructuras que acumulaban un esqueleto exterior de sílice similar a los organismos constructores de cascos conocidos como diatomeas. Crédito: Yan Lab.

Las diatomeas son criaturas diminutas y unicelulares que habitan en océanos, lagos, ríos y suelos. A través de su respiración, producen cerca de un cuarto del oxígeno en la tierra, casi tanto como los bosques tropicales del mundo. Además de su éxito ecológico en todo el planeta, tienen varias propiedades notables. Las diatomeas viven en casas de vidrio de su propio diseño, visibles bajo magnificación en una gama de formas asombrosas y estéticamente bellas.

Los investigadores han encontrado inspiración en estos microscópicos productos de la naturaleza parecidos a las joyas desde su descubrimiento a fines del siglo XVIII. En un nuevo estudio, científicos de la Universidad Estatal de Arizona (ASU) dirigidos por el profesor Hao Yan, en colaboración con investigadores del Instituto de Física Aplicada de Shanghai de la Academia de Ciencias de China y la Universidad Jiaotong de Shanghai dirigidos por el Prof. Chunhai Fan, diseñaron un rango de nanoestructuras diatomeas.

Para lograr esto, toman prestadas las técnicas utilizadas por 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.

La nueva investigación demuestra 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.

Yan es el Profesor Distinguido de Milton D. Glick de Química y Bioquímica y dirige el Centro de Biodiseño de Diseño Molecular y Biomimética. Los hallazgos del grupo se informan en línea avanzada de la revista Naturaleza .

Investigadores como Yan y Fan crean sofisticadas nanoarquitecturas en 2 y 3 dimensiones, usando ADN como material de construcción. El método, conocido como 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, 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, que se pueden diseñar de antemano. Las nanoestructuras luego se autoensamblan en un tubo de ensayo.

Una selección de nanoestructuras construidas con origami de ADN, junto con diatomeas naturales: organismos unicelulares que se presentan en muchas formas bellas y elaboradas. Son habitantes omnipresentes de los lagos, ríos y océanos del mundo. Una escala muestra los tamaños de las nanoestructuras y diatomeas. Crédito: Shireen Dooling

En el nuevo estudio, los investigadores querían ver si las arquitecturas diseñadas con ADN, cada una de apenas mil 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. Sus exitosos resultados muestran 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”, dijo Yan.

Entre los marcos geométricos de ADN diseñados y construidos en los experimentos se encontraban cruces 2D, cuadrados, triángulos y formas de panal de DOS-diatomeas, 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, acreándose 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 logra simplemente mediante la regulación de la duración del crecimiento.

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 revelan contornos mucho más claros para las nanoestructuras después de la deposición de sílice.

El método de nanofabricación es 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 delineada en el nuevo estudio proporciona a los investigadores un control más preciso sobre la construcción de nanoestructuras 3-D en formas arbitrarias que a menudo son difíciles de producir a través de los métodos existentes.

Cubo 3D hecho con DNA Origami Silicification (DOS), que deposita una fina capa de sílice en el marco de origami de ADN. Crédito: Yan Lab

Una propiedad de las diatomeas naturales de gran interés para los nanoingenieros como Yan y Fan es la fortaleza específica de sus capas de sílice. La resistencia específica se refiere a la resistencia de un material a la rotura en relación con su densidad. Los científicos han descubierto que las arquitecturas de sílice de diatomeas no solo son inspiradoras elegantes sino excepcionalmente duras. De hecho, los exoesqueletos de sílice que envuelven diatomeas tienen la mayor resistencia específica de cualquier material producido biológicamente, incluidos huesos, astas y dientes.

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 en las fuerzas que podían soportar, en comparación con los diseños no solidados, sin embargo, conservaban una flexibilidad considerable.

El estudio también muestra 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.

Un último experimento implicó el diseño de una nueva nanoestructura tetraédrica tridimensional utilizando nanobarras de oro como puntales de apoyo para un dispositivo fabricado con DOS. Esta estructura novedosa fue capaz de conservar fielmente su forma en comparación con una estructura similar que carecía de silicatación que se deformaba y colapsó.

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.

“Estamos interesados ​​en desarrollar métodos para crear nanoestructuras híbridas de orden superior. Por ejemplo, los materiales híbridos multicapa / multicomponentes pueden lograrse mediante la deposición gradual de diferentes materiales para expandir aún más la diversidad biomimética”, dijo Fan.

Tales capacidades 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 biomimético y biomimético demostrado en este documento representa un marco general para el uso con nanofabricación de dispositivos inorgánicos que tiene formas y funciones tridimensionales arbitrarias y ofrece diversas aplicaciones potenciales en campos como la nanoelectrónica, la nanofotónica y la nanotecnología. robótica.


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Más información: Xiaoguo Liu y otros, complejos nanomateriales compuestos de sílice con originación de ADN, Naturaleza (2018) DOI: 10.1038 / s41586-018-0332-7