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NanotecnologĂ­a Molecular


Índice general 1

Nanotecnología molecular

1

1.1

Introducción

1

1.2

Proyecciones de aplicaciones y capacidades

1.3

1.4

2

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.2.1

Materiales inteligentes y nanosensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.2.2

Replicando nanorobots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.2.3

Nanorobots en la medicina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.2.4

Niebla de utilidad

2

1.2.5

Óptica de arreglos en fase

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

Impactos sociales potenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

1.3.1

Beneficios

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

1.3.2

Riesgos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

Críticas y asuntos técnicos

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.4.1

Estudios y recomendaciones por la Academia Nacional de Ciencias de los EE.UU. . . . . .

4

1.4.2

Ensambladores versus nanofábricas

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.4.3

Nanotecnología dura versus blanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.4.4

El debate de Smalley-Drexler

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.4.5

Asuntos de diseño

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.4.6

La viabilidad de las propuestas en Nanosistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.4.7

Trabajo existente sobre la mecanosíntesis del diamante

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.5

Trabajos de ficción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1.6

Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1.7

Trabajos de referencia

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.8

Enlaces externos

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.9

Ver también . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

Nanotecnología de ADN

10

2.1

Conceptos Fundamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.1.1

Propiedades de los Ácidos Nucléicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.1.2

Subcampos de la Nanotecnología de ADN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

Nanotecnología estructural de ADN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.2.1

Entramados de ADN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.2.2

Estructuras discretas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.2.3

Ensamblaje con plantillas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.2

i


ii

ÍNDICE GENERAL 2.3

Nanotecnología de ADN dinámica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.3.1

Dispositivos nanoquímicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.3.2

Cascadas de desplazamiento de hebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

2.4

Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

2.5

Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.5.1

Diseño de la estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.5.2

Diseño de la secuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.6

Materiales y métodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.7

Historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.8

Ver también . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.9

Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

2.10 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

2.11 Enlaces externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

2.12 Origen del texto y las imágenes, colaboradores y licencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

2.12.1 Texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

2.12.2 Imágenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

2.12.3 Licencia del contenido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24


Capítulo 1

Nanotecnología molecular La nanotecnología molecular (NTM) es una tecnología basada en la capacidad de construir estructuras complejas, con especificaciones atómicas mediante la mecanosíntesis.[1] Esto es distinto de nanomateriales. Basados en la visión de Richard Feynman de fábricas en miniatura que utilizan nanomáquinas para construir productos complejos (incluyendo adicionales nanomáquinas), esta forma adelantada de nanotecnología (o fabricación molecular[2] ) haría uso de mecanosíntesis posicionalmente-controlado y guiados por sistemas de máquinas moleculares. La NTM implicaría combinar los principios físicos demostrados por la química, otras nanotecnologías, y la maquinaria molecular de la vida con los principios de ingeniería de los sistemas encontrados en fábricas modernas a macroescala.

po de trabajo formado por más de 50 expertos internacionales de diversos campos, organizado por el Centro de Nanotecnología Responsable para estudiar las implicaciones sociales de la nanotecnología molecular. [7]

1.2 Proyecciones de aplicaciones y capacidades 1.2.1 Materiales inteligentes y nanosensores Una aplicación propuesta de la NTM son los llamados materiales inteligentes. Este término se refiere a cualquier tipo de material diseñado y fabricado a escala nanométrica para una tarea específica. Abarca una amplia variedad de posibles aplicaciones comerciales. Un ejemplo sería material diseñado para responder de forma diferente a las diversas moléculas; esa capacidad podría llevar, por ejemplo, a las drogas artificiales que reconocen y hacen inertes a virus específicos. Otra es la idea de las estructuras de auto-sanación, las cuales reparan pequeñas fisuras en una superficie de forma natural, de la misma manera que lo hacen los neumáticos autosellantes o la piel humana.

1.1 Introducción Mientras que la química convencional utiliza procesos inexactos para obtener resultados inexactos, y la biología explota procesos inexactos para obtener resultados definitivos, la nanotecnología molecular emplearía procesos definitivos originales para obtener resultados definitivos. El deseo en la nanotecnología molecular sería la de equilibrar las reacciones moleculares en ubicaciones y orientaciones posicionalmente-controladas para obtener reacciones químicas deseadas, y luego para construir sistemas mediante el ensamblaje de los productos de estas reacciones.

Un nanosensor se parecería a un material inteligente, que involucra un pequeño componente dentro de una máquina más grande que reacciona a su entorno y al cambio de alguna manera fundamental e intencional. Un ejemplo muy simple: un fotosensor podría medir pasivamente la luz incidente y descargar su energía absorbida en forma de electricidad cuando la luz pasa por encima o por debajo de un umbral determinado, y hacer el envío de una señal a una máquina más grande. Tal sensor supuestamente tendría menor costo y consumiría menos energía que un sensor convencional, y sin embargo, cumple la misma función de forma útil en todas las aplicaciones - por ejemplo, encender las luces de un lote de estacionamiento cuando oscurece.

Una hoja de ruta para el desarrollo de NTM es un objetivo de un proyecto de tecnología de base dirigido por Battelle (el gerente de varios laboratorios nacionales de Estados Unidos) y el Foresight Institute (Instituto de Prospectiva). [3] El plan de trabajo fue originalmente programado para su terminación a finales del 2006, pero fue puesto en libertad en enero de 2008.[4] La Colaboración de nanofábricas (del inglés Nanofactory Collaboration) [5] es un esfuerzo continuo más centrado donde participan 23 investigadores de 10 organizaciones y 4 países diferentes que están desarrollando una agenda de investigación práctica [6] dirigida específicamente a la mecanosíntesis del diamante posicionalmente-controlada y al desarrollo de nanofábricas del diamante. En agosto de 2005, un gru-

Mientras que los materiales inteligentes y nanosensores ejemplifican aplicaciones útiles en la NTM, palidecen en comparación con la complejidad de la tecnología más popular, asociada con el término: el nanorobot replicable. 1


2

CAPÍTULO 1. NANOTECNOLOGÍA MOLECULAR

Mientras materiales listos y nanosensors ambos ejemplifican aplicaciones útiles de MNT, ellos pálidos en comparación con la complejidad de la tecnología más popularmente asociado con el plazo: el replicating nanorobot.

1.2.2

Replicando nanorobots

Nanofacturas con NTM es popularmente vinculada con la idea de enjambres coordinados de robots a nanoescala, que trabajan en conjunto; una propuesta de K. Eric Drexler en sus discusiones de NTM en 1986, pero reemplazada en 1992. En esta propuesta inicial, nanorobots suficientemente capaces construirían más nanorobots en un ambiente artificial que contiene bloques especiales de construcción molecular.

tamente bajo control humano, utilizando el paradigma de la ingeniería convencional de modelado, diseño, prototipaje, pruebas, análisis y rediseño. En cualquier caso, desde 1992, propuestas técnicas para la NTM no incluyen nanorobots auto-replicantes, y directrices éticas recientes presentadas por los defensores de la NTM prohíben la autorreplicación sin restricciones.[9][11]

1.2.3 Nanorobots en la medicina Una de las aplicaciones más importantes de la NTM podría ser la nanorobótica o la nanomedicina, un área trabajada por primera vez por Robert Freitas en numerosos libros [12] y artículos. [13] La capacidad de diseñar, construir y desplegar un gran número de nanorobots médicos haría, como mínimo, posible la rápida eliminación de enfermedades y la recuperación fiable y relativamente sin dolor de un trauma físico. Los Nanorobots médicos también pueden hacer posible la corrección conveniente de defectos genéticos, y ayudar a asegurar una vida útil ampliada considerablemente. Aún más polémico, los nanorobots médicos podrían utilizarse para aumentar las capacidades humanas naturales.

Los críticos han puesto en duda tanto la viabilidad de nanorobots auto-replicantes y la factibilidad del control si es que los nanorobots auto-replicantes podrían alcanzarse: citan la posibilidad de mutaciones que eliminen cualquier control y que favorezcan la reproducción de las variaciones patógenas mutantes. Los defensores abordan la primera duda al señalar que la primera máquina replicadora autónoma macroescala, hecha de bloques de Lego, fue construida y operada de forma experimental en 2002.[8] Si bien hay ventajas sensoriales presentes en la macroescala en comparación con la limitada disponibles a escala nanométrica, las propuestas de sistemas de fabricación mecanosintética a nanoescala posicionalmentecontroladas emplean un estima de información sobre las 1.2.4 herramientas combinadas con el diseño fiable de secuencia de reacción para garantizar resultados fiables, por lo tanto, un sistema sensorial limitado no posee desventaja alguna. Consideraciones similares se aplican al ensamblaje posicional de pequeñas nanopartes. Los defensores abordan la segunda dudas con el argumento de que las bacterias (por necesidad) evolucionaron a evolucionar, mientras que la mutación nanorobot podría prevenirse de forma activa mediante técnicas comunes de corrección de errores. Ideas similares se recomiendan en las directrices de prospectiva sobre Nanotecnología Molecular, [9] y un mapa del espacio de diseño replicador de 137 dimensiones[10] publicaron recientemente por Freitas y Merkle, el cual proporciona numerosos métodos propuestos por el cual replicadores podrían, en principio, ser controlados de forma segura por el buen diseño. Sin embargo, el concepto de mutación de supresión plantea la pregunta: ¿Cómo se puede diseñar la evolución para producirse a escala nanométrica, sin un proceso de mutación al azar y selección determinista? Los críticos argumentan que los defensores de la NTM no han proporcionado un sustituto de un proceso de evolución tal en este campo a escala nanométrica, donde se carece de los procesos de selección convencionales basados sensorialmente. Los límites del sensorio disponibles a nanoescala podrían hacer difícil o imposible de aventar los éxitos de los fracasos. Sus defensores argumentan que la evolución del diseño debe ocurrir de manera determinista y estric-

Niebla de utilidad

Esquema de un 100 micrómetro foglet

Otra propuesta de aplicación de la nanotecnología molecular es la "niebla útil" [14] - en la que una nube de robots microscópicos conectados en la red (más simples que los ensambladores) cambiarían su forma y propiedades para formar objetos y herramientas macroscópicas por medio de comandos de software. En lugar de modificar las prácticas actuales de consumo de bienes materiales en diferentes formas, la niebla útil simplemente reemplazaría muchos objetos físicos.


1.3. IMPACTOS SOCIALES POTENCIALES

1.2.5

Óptica de arreglos en fase

Óptica de red en fase, otra propuesta de aplicación de la NTM se (PAO del inglés Phased-array optics).[15] Sin embargo, esto parece ser un problema que puede ser atacada por la tecnología de nanoescala ordinaria. La PAO utilizaría el principio de la tecnología milimétrica aplicado a longitudes de onda ópticas. Esto permitiría la duplicación virtual de cualquier tipo de efecto óptico. Los usuarios podrían solicitar hologramas, amaneceres y puestas de sol, o láseres flotantes como se les apetezca. Sistemas PAO se describieron en Nanotecnología de BC de Crandall: Especulaciones Moleculares de Abundancia Global en el artículo de Brian WOWK “Óptica de fases”.[16]

3 A pesar de la situación actual, del desarrollo temprano de la nanotecnología y la nanotecnología molecular, mucha preocupación rodea al impacto anticipado de la NMT en la economía [18][19] y en la ley. A pesar de los efectos, si se llegara a lograr la NTM, tendería a reducir la escasez de bienes manufacturados y a hacer muchos más bienes manufacturables. (como la alimentación y la salud) La NTM puede hacer posibles las capacidades nanomédicas, con la habilidad de curar cualquier condición médica que no se ha curado por los avances en otras áreas. La buena salud sería común, y la mala salud de cualquier forma sería tan rara como la viruela y el escorbuto. Incluso la criónica sería factible, ya que el tejido crio-preservado podría ser totalmente reparado.

1.3 Impactos sociales potenciales 1.3.1

Beneficios

Nanotecnología (o la nanotecnología molecular para referir más específicamente a los objetivos discutidos aquí) nos permitirá continuar las tendencias históricas de fabricación hasta los límites fundamentales impuestas por la ley física. Se le permitirá hacer extraordinarias y poderosas computadoras moleculares. Se le permitirá introducir materiales cincuenta veces más ligeros que el acero o aleación de aluminio, pero con la misma fuerza. Seremos capaces de hacer aviones, cohetes, coches o incluso sillas que, según los estándares de hoy en día, serían muy ligeros, fuertes, y baratos. Herramientas quirúrgicas moleculares, guiadas por computadoras moleculares e inyectadas en el torrente sanguíneo, capaces de encontrar y destruir las células cancerosas o bacterias invasoras, destapar las arterias, o proporcionar oxígeno cuando se altera la circulación. La nanotecnología sustituirá toda nuestra base de fabricación con una nueva forma de hacer productos, radicalmente más precisa, radicalmente más barato, y radicalmente más flexible. El objetivo no es simplemente reemplazar los chips de computadora que hoy se hacen en las plantas, sino también reemplazar las líneas de montaje de automóviles, televisores, teléfonos, libros, instrumentos quirúrgicos, misiles, librerías, aviones, tractores, y todo lo demás. El objetivo es un cambio generalizado en la industria manufacturera, un cambio que le dejará prácticamente ningún producto sin tocar. El progreso económico y la preparación militar en el siglo 21 dependerán fundamentalmente de mantener una posición competitiva en la nanotecnología. [17]

1.3.2 Riesgos La nanotecnología molecular es una de las tecnologías que algunos analistas creen que podría conducir a una Singularidad Tecnológica. Algunos sienten que la nanotecnología molecular tendría riesgos enormes. [20] Es concebible que podría permitir la reducción del costo de armas y podría aumentar su destructividad. Además, la nanotecnología molecular podría permitir armas de destrucción masiva que podrían auto-replicarse, como los virus y las células cancerosas hacen cuando se ataca el cuerpo humano. Los comentaristas generalmente están de acuerdo en que, en el caso del desarrollo de la nanotecnología molecular, su auto-replicación sólo debería permitirse bajo condiciones “intrínsecamente seguras” muy controladas. Existe un temor de que los robots nanomecánicos, si se lograsen, y si fueran diseñados para auto-replicarse utilizando materiales de origen natural (una tarea difícil), podrían consumir todo el planeta en su hambre de materias primas, [22] o simplemente desplazar a la vida natural, compitiendo para producir energía (como sucedió históricamente cuando las algas verde-azules aparecieron y dejaron fuera a formas de vida anteriores). Algunos comentaristas se han referido a esta situación como la "plaga gris" o escenario de “ecofagia”. K. Eric Drexler considera que el escenario accidental de la “plaga gris” es extremadamente improbable, y lo dice en ediciones posteriores en Engines of Creation. A la luz de esta percepción del peligro potencial, el Instituto Foresight (fundada por K. Eric Drexler para prepararse para la llegada de las tecnologías del futuro) ha elaborado una serie de directrices[21] para el desarrollo ético de la nanotecnología. Estos incluyen la prohibición de seudo-organismos auto-replicantes de libre forrajeo en la superficie de la Tierra, por lo menos, y posiblemente en otros lugares.


4

CAPÍTULO 1. NANOTECNOLOGÍA MOLECULAR

1.4 Críticas y asuntos técnicos La viabilidad de las tecnologías básicas analizadas en nanosistemas ha sido objeto de una revisión científica formal por parte de Estados Unidos en la Academia Nacional de Ciencias, y también ha sido el centro de un amplio debate en el Internet y en la prensa popular.

1.4.1

Estudios y recomendaciones por la Academia Nacional de Ciencias de los EE.UU.

En 2006, la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos publicó el informe de un estudio sobre la fabricación molecular como parte de un informe más extenso, “Una cuestión de tamaño: examen trienal de la Iniciativa Nacional de Nanotecnología”. [22] El comité de estudio revisó el contenido técnico de nanosistemas y en su conclusión establece que ningún análisis teórico actual se puede considerar definitivo con respecto a varias cuestiones de rendimiento potencial del sistema, y que las rutas óptimas para la implementación de sistemas de alto rendimiento no se pueden predecir con confianza. Se recomienda la investigación experimental para avanzar en el conocimiento en esta área: ""A pesar de que los cálculos teóricos se pueden hacer hoy en día, la gama final posible de ciclos químicos de reacción, las tasas de error, la velocidad de funcionamiento y la eficiencia termodinámica de tales sistemas de fabricación de abajo hacia arriba no se pueden predecir de forma fiable en este momento. Por lo tanto, la perfección finalmente alcanzable y la complejidad de los productos manufacturados, mientras que se pueden calcular en teoría, no se pueden predecir con confianza en la práctica. Por último, los caminos óptimos de investigación que podrían conducir a sistemas que exceden en gran medida la eficiencia termodinámica y otras capacidades de los sistemas biológicos no se pueden predecir de forma fiable en este momento. La financiación de la investigación basada en la capacidad de los investigadores para producir demostraciones experimentales que enlazan modelos abstractos y guían la visión a largo plazo es la forma más apropiada para lograr este objetivo”.

de Drexler, Ralph Merkle ha señalado que, contrariamente a la leyenda difundida, [24] Drexler nunca afirmó que los sistemas ensambladores podrían construir absolutamente cualquier estructura molecular. Las notas al final del libro de Drexler explican la calificación “casi": “Por ejemplo, una estructura delicada podría estar diseñado de forma que, al igual que un arco de piedra, se autodestruya, a menos de que todas sus piezas se encuentren en su lugar correcto. Si no hubiera espacio en el diseño para la colocación y el retirado de un andamio, a continuación, la estructura podría ser imposible de construir. Pocas estructuras de interés práctico parecen propensas a exhibir un problema tal”. En 1992, Drexler publicó “Nanosistemas: Maquinaria Molecular, fabricación y Computación”, [25] una propuesta detallada para la síntesis de estructuras rígidas covalentes utilizando una fábrica de sobremesa. Estructuras de tipo diamante y otras estructuras covalentes rígidas, de lograrse, tendrían una amplia gama de posibles aplicaciones, va mucho más allá de la tecnología MEMS (sistemas microelectromecánicos) actual. Un esbozo del sendero fue propuesto en 1992 para la construcción de una fábrica de sobremesa, en ausencia de un ensamblador. Otros investigadores han comenzado a avanzar en los caminos tentativos propuestos, alternativas [5] para esto en los años desde que se publicó nanosistemas.

1.4.3 Nanotecnología dura versus blanda En 2004 Richard Jones escribió “Soft Machines” (nanotecnología y vida), un libro para el público laico publicado por la Universidad de Oxford. En este libro se describe la nanotecnología radical (defendida por Drexler) como una idea determinista/mecanicista de ingeniería de nanomáquinas que no tiene en cuenta los retos a nanoescala, como la humedad, pegajosidad, movimiento browniano, y alta viscosidad. También explica qué es la nanotecnología blanda o la nanotecnología más apropiadamente, la nanotecnología biomimética, que es el camino a seguir, si no la mejor manera, para diseñar nanodispositivos funcionales que pueden hacer frente a todos los problemas en una escala nanométrica. Uno puede pensar en nanotecnología suave como el desarrollo de las nanomáquinas que utilizan las lecciones aprendidas de la biología sobre cómo funcionan las cosas, la química para crear precisamente este tipo de dispositivos y la física estocástica para modelar el sistema y sus procesos naturales en detalle.

1.4.4 El debate de Smalley-Drexler 1.4.2

Ensambladores versus nanofábricas

Un encabezado en “Engines of Creation” de Drexler dice [23] “Ensambladores Universales”, y el siguiente texto habla de varios tipos de ensambladores que, en conjunto, podría hipotéticamente “construir casi cualquier cosa que las leyes de la naturaleza permitiesen existir.” El colega

Varios investigadores, entre ellos el ganador del Premio Nobel Dr. Richard Smalley (1943-2005), [26] atacaron la noción de ensambladores universales, dando lugar a una refutación de Drexler y sus colegas [27] y finalmente, a un intercambio de cartas. [28] Smalley argumentó que la química es extremadamente complicada, las reacciones


1.4. CRÍTICAS Y ASUNTOS TÉCNICOS son difíciles de controlar, y que un ensamblador universal es ciencia ficción. Drexler y sus colegas, sin embargo, señalaron que Drexler nunca se propuso ensambladores universales capaces de hacer cualquier cosa, pero en su lugar propuso montadores más limitados capaces de hacer una gran variedad de cosas. Ellos cuestionaron la pertinencia de los argumentos de Smalley a las propuestas más específicas avanzadas en nanosistemas. También, Smalley argumentó que casi la totalidad de la química moderna implica reacciones que tienen lugar en un disolvente (normalmente agua), ya que las pequeñas moléculas de un solvente aportan muchas cosas, tales como la reducción de energías de enlace para los estados de transición. Dado que casi toda la química conocida requiere un disolvente, Smalley sintió que la propuesta de Drexler de utilizar un entorno de alto vacío no era factible. Sin embargo, Drexler aborda esto en los nanosistemas, mostrando matemáticamente que los catalizadores bien diseñados pueden proporcionar los efectos de un disolvente y fundamentalmente se puede hacer aún más eficiente que un disolvente de reacción de enzima. Es de destacar que, contrariamente a la opinión de Smalley que las enzimas requieren de agua, “No sólo las enzimas trabajan vigorosamente en medios orgánicos anhídridos, pero en este entorno natural que adquieren propiedades notables como mucho mayor estabilidad, un sustrato radicalmente alterado y especificidades de enantiómeros, memoria molecular, y la capacidad de catalizar reacciones inusuales.

1.4.5

5 terminista en la reproducción/extinción. En 2007, la práctica de la nanotecnología abarca enfoques estocásticos (en la que, por ejemplo, la química supramolecular crea pantalones impermeables) y enfoques deterministas en el que las moléculas individuales (creados por la química estocástica) se manipulan en superficies de sustrato (creado por métodos de deposición estocásticos) por métodos deterministas que comprende empujándolos con MCI o sondas AFM y causando reacciones de unión o escisión simples. El sueño de un complejo, la nanotecnología molecular determinista sigue siendo difícil de alcanzar. Desde mediados de la década de 1990, miles de científicos de la superficie y los tecnócratas de película delgada han enganchado al tren nanotecnología y redefinido sus disciplinas como la nanotecnología. Esto ha causado mucha confusión en el campo y ha dado lugar a miles de papeles “nano” en la literatura. La mayoría de estos informes son extensiones de la investigación más ordinaria realizada en las esferas de los padres.

1.4.6 La viabilidad de las propuestas en Nanosistemas

Asuntos de diseño

Para el futuro, algunos medios tienen que ser encontrados para la evolución del diseño de la NTM a nanoescala, que imita el proceso de la evolución biológica a escala molecular. Prosigue la evolución biológica por la variación aleatoria en los promedios del conjunto de organismos combinados con sacrificio de las variantes menos exitosas y la reproducción de las variantes más exitosas, y el diseño de ingeniería a macroescala también procede de un proceso de evolución del diseño de la simplicidad a la complejidad como se establece algo satíricamente por John Gall: “Un sistema complejo que funciona invariablemente se encontró que evoluciona a partir de un sistema simple que trabaja. Un sistema complejo diseñado desde cero nunca funciona y no puede ser remendado; para que funcione tienes que empezar de nuevo, comenzando con un sistema que funciona”. [29] Se necesita un gran avance en la NTM que procede de los conjuntos atómicos simples que se pueden construir, por ejemplo, un STM para sistemas NTM complejos a través de un proceso de evolución del diseño. Una desventaja de este proceso es la dificultad de ver y la manipulación a nanoescala en comparación con la macroescala, que hace a la selección determinista de exitosas pruebas difíciles; en cambio la evolución biológica procede a través de la acción de lo que Richard Dawkins ha llamado el “relojero ciego” [30] que comprende una variación molecular aleatoria y de-

Top, a molecular propellor. Bottom, a molecular planetary gear system. The feasibility of devices like these has been questioned. La viabilidad de las propuestas de Drexler depende en gran medida, sobre si los diseños como los de los nanosistemas podrían ser construidos en la ausencia de un ensamblador universal y que funcionarían como se describen. Los partidarios de la nanotecnología molecular con frecuencia afirman que no hay errores significativos se hayan descubierto en nanosistemas desde 1992. Incluso algunos críticos conceden [31] que “Drexler ha considerado cuidadosamente una serie de principios físicos subyacen-


6

CAPÍTULO 1. NANOTECNOLOGÍA MOLECULAR

tes de aspectos del 'alto nivel' de los nanosistemas que trienal de la Iniciativa Nacional de Nanotecnología”, [22] propone y, de hecho, se ha pensado en algún detalle “so- llevada a cabo por la National Academies Press en dibre algunas cuestiones. ciembre de 2006 (aproximadamente veinte años después Otros críticos afirman, que los nanosistemas omiten de- de que Engines of Creation se publicara), de ninguna matalles importantes acerca de la química de bajo nivel, nera clara hacia delante, hacia la nanotecnología molecuel “lenguaje máquina” de la nanotecnología molecular. lar podría todavía verse, según la conclusión en la página [32][33][34][35] También afirman que gran parte de la otra 108 de ese informe: “A pesar de los cálculos teóricos que química de bajo nivel en nanosistemas requiere una am- se pueden hacer hoy en día, la gama posible de ciclos químicos de reacción, las tasas de error, la velocidad de funplia labor más allá, y que los diseños de más alto nivel de Drexler, por tanto, descansan sobre bases especulati- cionamiento y la eficiencia termodinámica de tales sistemas de fabricación de abajo hacia arriba no pueden puede vas. Trabajos recientes por Freitas y Merkle [36] tienen por objeto reforzar estas fundaciones y llenar los vacíos predecir de forma fiable en este momento. Por lo tanto, la perfección y la complejidad de los productos fabricados existentes en la química de bajo nivel. con el tiempo posible, mientras que se pueden calcular Drexler sostiene que es posible que tengamos que espe- en teoría, no se pueden predecir con confianza. Por úlrar hasta nuestra nanotecnología convencional mejore an- timo, los caminos de investigación óptimos que podrían tes de resolver estas cuestiones: “la fabricación molecu- conducir a sistemas que superan ampliamente las eficienlar será el resultado de una serie de avances en sistemas cias termodinámicas y otras capacidades de los sistemas de máquinas moleculares, tanto como el primer aluniza- biológicos no se pueden predecir de forma fiable en este je fue resultado de una serie de avances en los sistemas momento. La financiación de la investigación basada en la de combustible líquido de los cohetes. Estamos ahora en capacidad de los investigadores para producir demostrauna posición como la de la Sociedad Interplanetaria Bri- ciones experimentales que enlazan los modelos abstractos tánica de la década de 1930, que describen cómo cohetes y guías de visión a largo plazo son los más apropiado para de varias etapas de combustible líquido podrían llegar a lograr este objetivo”. La presente convocatoria de la inla Luna y señalaron a los primeros cohetes como ilustra- vestigación que lleva a manifestaciones es bien recibida ciones del principio básico”. [37] Sin embargo, Freitas y por los grupos tales como la Colaboración de nanofábriMerkle argumentan [38] que un esfuerzo concentrado para cas que buscan específicamente éxitos experimentales en lograr mecanosíntesis de diamante (DMS) puede comen- la mecanosíntesis del diamante. [40] La “Hoja de ruta pazar ahora, con el uso de la tecnología existente, y podría ra la Tecnología Productiva en nanosistemas” [41] tiene alcanzar el éxito en menos de una década si se persigue como objetivo ofrecer ideas constructivas adicionales. su “enfoque directo al DMS en lugar de un enfoque de desarrollo más tortuoso que busque implementar tecno- Es quizás interesante preguntarse si la mayoría de las estructuras consistentes con la ley física pueden de hecho logías de fabricación molecular si usar diamantes menos ser fabricadas. Los defensores afirman que para alcanzar eficaces antes de progresar a la diamantina”. la mayor parte de la visión de la fabricación molecular no Para resumir los argumentos en contra de la viabilidad: es necesario ser capaz de construir “una estructura que en primer lugar, los críticos argumentan que la principal sea compatible con la ley natural.” Más bien, es necesario barrera para el logro de la nanotecnología molecular es la ser capaz de construir solamente un (posiblemente mofalta de una forma eficaz de crear máquinas a escala mo- desto) subconjunto suficiente de este tipo de estructuras, lecular/atómica, especialmente en ausencia de un camino como es cierto, de hecho, de cualquier proceso de fabribien definido hacia un ensamblador de auto-replicación cación práctica utilizada en el mundo actual, y es ciero una nanofábrica de diamantina. Los defensores respon- to incluso en biología. En cualquier caso, como dijo una den que se está desarrollando un camino de investigación vez Richard Feynman: “Es ciencia tan sólo decir lo que preliminar que lleva a una nanofábrica de diamantina. [6] es más probable o menos probable, y no para probar todo [42] Una segunda dificultad para llegar a la nanotecnología el tiempo lo que es posible o imposible.” molecular es el diseño. El diseñoa mano de un engranaje o cojinete a nivel atómico podría tomar unas pocas a varias semanas. Mientras Drexler, Merkle y otros han 1.4.7 Trabajo existente sobre la mecanosíntesis del diamante creado diseños de piezas simples, ningún esfuerzo de diseño integral parecido a la complejidad de un Modelo T de Ford se han intentado. Los defensores responden que Hay un creciente cuerpo de trabajo teórico revisado por es difícil llevar a cabo un esfuerzo integral de diseño, en pares en la síntesis del diamante eliminando mecánica[43] y deposiausencia de una importante financiación para este tipo de mente la adición de átomos de hidrógeno [44][45][46][47][48][49] (un proceesfuerzos, y que a pesar de esta desventaja mucho más útil tando átomos de carbono de diseño, sin embargo, se han logrado con nuevas herra- so conocido como mecanosíntesis). Este trabajo está pemientas de software que se han desarrollado, por ejemplo, netrando lentamente la comunidad nanocientífica, y está siendo criticado. Por ejemplo, Peng et al. (2006)[50] (en en Nanorex. [39] el continuo esfuerzo de investigación por Freitas, MerEn el último informe de “Cuestión de tamaño: examen kle y sus colaboradores) informa que el motivo de me-


1.5. TRABAJOS DE FICCIÓN canosíntesis más estudiado (DCB6Ge) coloca con éxito un dímero de carbono C2 en la superficie del diamante C(110), tanto a 300 K (temperatura ambiente) y a 80 K (temperatura del nitrógeno líquido), y que la variante de silicio (DCB6Si) también trabaja en 80 K, pero no a 300 K. Más de 100.000 horas dentro del CPU se han invertido en este último estudio. El motivo del DCB6, descrito inicialmente por Merkle y Freitas en una Conferencia Foresight en 2002, fue la primera descripción completa jamás propuesta para la mecanosíntesis del diamante, y sigue siendo el único motivo de información sobre herramientas que se han simulado con éxito para su función prevista en un átomo de la superficie del diamante. Las herramientas modeladas en este trabajo están destinadas a ser utilizados en ambientes cuidadosamente controlados (por ejemplo, de vacío). Los límites máximos aceptables para la traslación de las herramientas y los errores de colocación de rotación errónea se presentan en Peng et al. (2006) – la sobre las herramientas deben ser colocadas con gran precisión para evitar la unión incorrecta del dímero. Peng et al. (2006) informa que el aumento del espesor de los 4 planos de soporte de los átomos de C por encima de la descripción para 5 planos disminuyen la frecuencia de resonancia de toda la estructura de 2,0 THz a 1,8 THz. Más importante aún, las huellas de vibración de una herramienta DCB6Ge montadas en un mango del 384-átomo y de la misma herramienta montada en un mango similar pero mucho más grande 636-átomo “travesaño” son prácticamente idénticos en las direcciones no-travesaño. Estudios computacionales adicionales sobre el modelado afirma que estructuras más grandes de mango son bienvenidas, pero la capacidad de posicionar con precisión los SPM con el requisito de una precisión atómica se ha demostrado en varias ocasiones de forma experimental a baja temperatura, [51][52] o incluso a temperatura ambiente [53][54] que constituyen una prueba de la existencia básica para esta capacidad. La investigación adicional para tener en cuenta la información sobre herramientas adicionales requerirá mucho tiempo para la química computacional y trabajo difícil de laboratorio.[55] Un nanofábrica trabajando requeriría una variedad de información bien diseñada para diferentes reacciones y análisis detallado sobre la colocación de los átomos en superficies más complicadas. Aunque esto parece un problema difícil dados los recursos actuales, muchas herramientas estarán disponibles para ayudar a los futuros investigadores: la Ley de Moore predice nuevos aumentos de potencia de los ordenadores, las técnicas de fabricación de semiconductores siguen acercándose a la nanoescala, y los investigadores son cada vez más hábiles en el uso de las proteínas, los ribosomas y del ADN para llevar a cabo la química.

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1.5 Trabajos de ficción • En “La era del diamante” de Neal Stephenson, el diamante puede ser constituido por la simple construcción de átomos de carbono. También todo tipo de dispositivos de detección de tamaño de polvo hasta zeppelines gigantes de diamante se construyen átomo por átomo utilizando sólo carbono, oxígeno, nitrógeno y cloro. • En la novela “Tomorrow” de Andrew Saltzman (ISBN 1-4243-1027-X), un científico utiliza nanorobótica para crear un líquido que cuando se inserta en el torrente sanguíneo, hace casi invencible al individuo, dado que las máquinas microscópicas reparan los tejidos casi instantáneamente después de haberse dañado. • En el juego de rol Splicers por Palladium Books, la humanidad ha sucumbido a una “plaga nanorobótica” que hace que cualquier objeto hecho de un metal no precioso pueda cambiar de forma (a veces en una especie de robot) momentos después de haber sido afectado por un ser humano. El objeto procederá entonces a atacar a los humanos. Esto ha obligado a la humanidad a desarrollar dispositivos “biotecnológicos” para reemplazar a los hechos de metal. • En el programa de televisión Mystery Science Theater 3000, los nanites (expresado de diversas maneras por Kevin Murphy, Paul Chaplin, Mary Jo Pehl, y Bridget Jones) - son organismos de cbio-ingeniería auto-replicantes, que trabajan en el barco, y son criaturas microscópicas que residen en el los sistemas informáticos del Satellite of Love. (Son similares a las criaturas en del episodio “Evolución” de Star Trek: The Next Generation, que ofrecieron “nanites” para hacerse cargo de la empresa) Los Nanites hacen su primera aparición en la temporada 8. Basado en el concepto de nanotecnología, sus actividades deus ex machina incluyen diversas tareas como la reparación inmediata y la construcción, la peluquería, la realización de una variación del nanite de un circo de pulgas, la realización de una guerra microscópica, e incluso destruir el planeta de los observadores después de una solicitud peligrosamente vaga de Mike para “cuidado de un pequeño problema ". También corrieron una microcervecería.

1.6 Referencias [1] «Nanosystems Glossary». E-drexler.com. [2] «Doing MM». Wise Nano. 2008-09-24. Consultado el 2010-09-05. [3] «Foresight Institute press release». Foresight.org. 200801-29. Consultado el 2010-09-05.


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1.9. VER TAMBIÉN

[52] Physical Review Letters 90: Bibcode:2003PhRvL..90q6102O. doi:10.1103/PhysRevLett.90.176102.

9

176102.

[53] R. V. Lapshin (2004). «Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology» (PDF). Nanotechnology (UK: IOP) 15 (9): 1135–1151. doi:10.1088/0957-4484/15/9/006. ISSN 0957-4484. [54] R. V. Lapshin (2011). «Feature-oriented scanning probe microscopy» (PDF). En H. S. Nalwa. Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology 14. USA: American Scientific Publishers. pp. 105–115. ISBN 1-58883-163-9. [55] «DMS Bibliography». Molecularassembler.com. Consultado el 2010-09-05.

• Nanotecnología Ahora Nanotecnología basics, noticioso, e información general • Eric Drexler sitio web personal y archivo digital • Iniciativa de Nanotecnología nacional • Instituto para Fabricación Molecular • Acelerando Futuro MNT artículos

1.9 Ver también • Nanoquímica • Nanotecnología en tratamiento de agua

1.7 Trabajos de referencia • La obra principal de referencia técnica en este tema es Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation, un análisis basado en la física a fondo de una clase particular de nanomáquinas potenciales y sistemas de fabricación molecular, con extensos análisis de su viabilidad y rendimiento. Nanosistemas se basa estrechamente en la tesis doctoral del MIT de Drexler, “Maquinaria Molecular y Fabricación con Aplicaciones a la Computación”. Ambos trabajos también discuten vías de desarrollo de tecnología que comienzan con sonda de barrido y las tecnologías biomoleculares. • Drexler y otros extendieron las ideas de la nanotecnología molecular con varios otros libros. Unbounding the Future: the Nanotechnology Revolution [1] El libro es fácil de leer, e introduce las ideas de la nanotecnología molecular de una manera no muy técnica. Otras obras notables en el mismo sentido son Nanomedicina Vol.I y Vol.IIA por Robert Freitas y Kinematic Self-Replicating Machines. • Nanotecnología: Especulaciones Moleculares en la abundancia Global Editada por BC Crandall (ISBN 0-262-53137-2) ofrece interesar ideas para MNT aplicaciones.

1.8 Enlaces externos • Instituto de previsión • Página principal - Sensato-Nano Un wiki para MNT • Dr. Freitas bibliografía en mechanosynthesis actualizó aquí (también incluye relacionó las técnicas basaron encima escaneando microscopia de sonda) • El sitio web de Ensamblador Molecular de Robert Un. Freitas Jr.

• Tecnomimetismo


Capítulo 2

Nanotecnología de ADN El concepto de "nanotecnología de ADN" fue acuñado por primera vez a principios de 1980 por Nadrian Seeman y fue hasta mediados de los 2000 que el concepto se definió como un campo de investigación y comenzó a ganar atención. El hecho de poder utilizar a los ácidos nucléicos como materiales de construcción radica en las estrictas reglas de apareamiento entre las bases nitrogenadas, lo que permite que hebras con secuencias complementarias de ADN se unan y formen estructuras rígidas y fuertes de cadena doble. Como resultado se obtienen estructuras complejas que se ensamblan selectivamente gracias al diseño racional en la secuencia de bases y que pueden ser controladas a nanoescala. Existen diversos métodos de ensamblaje para construir estas estructuras. Por ejemplo, las estructuras basadas en azulejos (las cuales se construyen a partir de estructuras más pequeñas), el método del “ADN origami” (en el cual las estructuras se doblan), o las estructuras reconfigurables (las cuales se pueden reestructurar a partir de técnicas de La nanotecnología de ADN consta del diseño y creación artifidesplazamiento en las cadenas). A pesar de que el nombre cial de nanoestructuras a partir de ácidos nucléicos. Un ejemplo puede ser este tetraedro construido a partir de ADN. [1] Cada es- de esta ciencia hace referencia específicamente al uso del quina del tetraedro está formada por 20 pares de bases de ADN ADN como material de construcción, se ha usado tamde cadena doble y cada vértice es una unión de tres brazos. Las 4 bién el ARN como material de construcción por lo que hebras de ADN que forman las 4 caras del tetraedro se presentan otro nombre alternativo que se le da es el de nanotecnocon códigos de colores. logía de ácidos nucléicos.

La nanotecnología de ADN involucra el diseño y la construcción artificial de estructuras a partir de ácidos nucléicos con el propósito de usos tecnológicos. En la nanotecnología de ADN, los ácidos nucléicos son usados como materiales (no-biológicos) “de construcción” y no como las moléculas portadoras de información genética que son en las células. Investigadores en este campo han creado estructuras estáticas tales como redes cristalinas de dos y tres dimensiones, nanotubos, poliedros y figuras arbitrarias, así como máquinas funcionales a nivel molecular y computación basada en ADN. Este campo de investigación se ha comenzado a utilizar como una herramienta para resolver problemas de ciencia básica, problemas en biología estructural y en biofísica, incluyendo las aplicaciones de cristalografía de rayos X y espectroscopía de proteínas para la determinación de las mismas. Aplicaciones potenciales a nivel molecular en electrónicos y en nanomedicina también están siendo investigados.

2.1 Conceptos Fundamentales 2.1.1 Propiedades de los Ácidos Nucléicos La nanotecnología se define normalmente como el estudio de materiales y dispositivos con características en una escala menor a 100 nanómetros. La tecnología de ADN, es específicamente un ejemplo de diseño de ensamblaje molecular tipo bottom-up en el que los componentes moleculares espontáneamente se organizan en estructuras estables. Esta estructura particual es inducida por las propiedades físicas y químicas de los materiales de construcción que los investigadores/diseñadores seleccionan.[4] En el caso de la nanotecnología de ADN, los materiales de construcción son cadenas de ácidos nucléicos, como lo es el ADN. Estas cadenas son casi siempre sintéticas y se utilizan casi siempre fuera del contexto

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2.1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Estas 4 hebras se asocian en un brazo de ADN de 4 uniones porque esta estructura maximiza el número de correcto apareamiento entre las bases, con A apareada a T y C apareada a G.[2][3] Vea ésta imagen para un modelo más realístico de una unión de 4 brazos en tercera dimensión.

Esta complejo supramolecular de entrecruzamiento doble (DX) consiste en 5 cadenas de ADN sencillas que cuando se aparean entre ellas forman 2 dominios de hélice doble (uno superior y el otro inferior). Existe un punto de cruce en el que las cadenas cruzan entre sí del dominio inferior al dominio superior y viceversa.[2]

de la célula viva. El ADN es un material de construcción muy apto para las construcciones a nanoescala ya que el apareamiento entre dos cadenas de ácido nucléico para formar nanoestructuras específicas depende de la simple regla entre el apareamiento de bases que, hoy en día, es entendida a la perfección. Estas cualidades hacen que el ensamblaje de estructuras de ácidos nucléicos sea fácil de controlar durante el diseño y la construcción. Esta propiedad de apareamiento entre bases es ausente en otro tipo de materiales usados en la nanotecnología como las proteínas (para el cual el diseño es muy complicado), y algunas nanopartículas, las cuales no tienen la capacidad de un ensamblaje inducido-específico.[5]

11 se unirán una a otra, si las cadenas son complementarias para formar de esta manera la doble cadena. Esto significa que una base se aparea con su base complementaria: A solo se aparea con T y C solo se aparea con G. [6] Ya que el correcto apareamiento entre las bases es energéticamente favorable (termodinámicamente favorable), las cadenas de ácidos nucléicos se unen solas unas a otras en la manera en la que se maximiza el número correcto de apareamientos. Esto implica entonces que la secuencia de bases en un sistema de cadenas determina el patrón de cómo éstas se unirán y por lo tanto, permite el fácil control de la estructura en general. En la tecnología de ADN, las secuencias de las cadenas son diseñadas lógicamente por los investigadores para que el apareamiento entre bases y sus interacciones cause el plegamiento deseado para obtener la estructura deseada.[7][8] A pesar de que el ADN es el material de construcción más utilizado, se pueden realizar estructuras a partir de otros materiales como el ARN y el ácido peptidonucleico (por sus siglas en inglés, PNA). [3] [9]

2.1.2 Subcampos de la Nanotecnología de ADN La nanotecnología de ADN se puede clasificar en dos campos: la nanotecnología estrucutral de ADN y la nanotecnología dinámica de ADN. La nanotecnología estructural de ADN, normalmente abreviada SDN por sus siglas en inglés, se enfoca en sintetizar y caracterizar complejos de ácidos nucléicos así como caracterizar tipos de materiales que generen ensamblajes estáticos y en equilibrio. Por otro lado, la nanotecnología dinámica de ADN se enfoca a complejos no estáticos con un comportamiento de no-equilibrio, tales como los que pueden reconfigurarse según estímulos físicos y químicos. Algunos complejos tales como los dispositivos nanomecánicos de ácidos nucléicos combinan características de ambas.[10] [11]

Los complejos que se construyen en el campo de la nanotecnología estructural de ADN usan ácidos nucléicos topológicamente hibridados que contienen ligaciones (uniones). En contraste, la mayoría del ADN biológico existe en una forma no híbrida, es decir, en su forma de cadena doble. Una de las estructuras híbridas más simples es la ligación (unión) de cuatro brazos que consiste en cuatro cadenas híbridas individuales de ADN que se aparean por complementariedad en ciertos puntos específicos denotados por un patrón. A diferencia de la estructura natural de una ligación de cuatro brazos (denominada Holliday Junction), en la estructural artificial inmóvil cada brazo tiene una secuencia de bases diferente causando La estructura de una molécula de ácido nucléico consiste que el punto de ligación o cruce pueda ser programado en una secuencia de nucleótidos que puede ser distinguida en una cierta posición. según las bases nitrogenadas que contenga. En el ADN, Varias uniones se pueden combinar en el mismo compueden presentarse cuatro bases que son: adenina (A), plejo.Tal es el caso de los motivos estructurales de doble timina (T), guanina (G) y timina (T). Los ácidos nucléi- cruce DX, los cuales contienen dos dominios helicoidacos tienen la propiedad de que solamente dos moléculas les con hebras paralelas individuales que cruzan entre los


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CAPÍTULO 2. NANOTECNOLOGÍA DE ADN

dominios en dos puntos. Cada punto es en sí mismo una DX en arreglos bidimensionales. [2] unión topológica de cuatro brazos, pero limitada a una sola orientación, proporcionando de esta manera una rigidez que hace que el DX sea el motivo estructural más utilizado y adecuado en la construcción de complejos de ADN grandes.[3] La rama dinámica de la nanotecnología de ADN usa un mecanismo llamado desplazamiento de cadena mediado en puntos de apoyo el cual es un mecanismo que permite que los complejos basados en ácidos nucléicos se puedan reconfigurar en respuesta a la adición de una nueva cadena de ácidos nucléicos. En este proceso, una hebra creciente de ácidos nucléicos se une a los extremos pegajosos (también conocidos como extremos adhesivos) de una cadena doble pre-existente para luego desplazar una de las dos hebras de la cadena original mediante un proceso denominado “migración de rama”. El resultado final es que una de las hebras de la cadena original es intercambiada por otra nueva.[9] Además, las estructuras o complejos reconfigurables pueden ser construidos con la ayuda de moléculas funcionales tales como la desoxirriboenzima y la riboenzima, las cuales son enzimas capaces de catalizar reacciones químicas y aptámeros que se pueden unir a proteínas específicas o a moléculas pequeñas.[12]

2.2 Nanotecnología estructural de ADN

Esta es un imagen del arreglo vista con un microscopio electrónico. Los motivos individuales DX (concebidos como azulejos) son claramente visibles en la totalidad de la estructura. El campo de magnificación es de 150nm.

Izquierda, un modelo de “azulejos” de ADN utilizado para construir una red de celosías bidimensional. Derecha, arreglo de celosías visto desde un microscopio electrónico.[13] [14]

La nanotecnología estructural de ADN (muchas veces abreviada en inglés como SDN), se enfoca en sintetizar y caracterizar complejos de ácidos nucléicos y materiales Ejemplo de un entramado aperiódico en dos dimensiones donde el ensamblaje se realiza en un equilibrio estático. con un patrón asemejado a los fractales. La doble cadena de ácidos nucléicos tiene una estructura tridimensional geométrica y robusta que hace posible la predicción del diseño de estructuras más complejas. Este tipo de estructuras han sido recientemente creadas en dos y tres dimensiones, así como de forma periódica y aperiódica.[10]

2.2.1

Entramados de ADN

El ensamblaje del arreglo DX

El fractal de Sierpinski gasket.

Diagrama esquemático. Cada barra representa un dominio de doble hélice de ADN, las figuras representan Arreglos de ADN que muestran los fractales de la complementariedad de los extremos pegajosos. El Sierpinski gasket en sus superficies[15] complejo DX superior se va a unir con otros complejos


2.2. NANOTECNOLOGÍA ESTRUCTURAL DE ADN Los complejos de ácidos nucléicos pequeños pueden ser diseñados con “extremos pegajosos” y ser combinados en celosías de dos dimensiones que contengan un patrón teselado construido a partir de moléculas (que pueden ser consideradas como azulejos).[10] El ejemplo más reciente de este tipo de complejos es en el que se utiliza la estructura DX (doble entrecruzamiento) justamente como azulejo, donde cada estructura forma parte de la celosía ya que contiene cuatro extremos pegajosos que pueden unirse entre sí para formar una “red” cristalina rígida bidimensional de ADN. [16][17] Arreglos en dos dimensiones han sido construidos a partir de otros motivos también, incluyendo el arreglo “Holliday”,[18] y otros arreglos basados en el motivo DX que hacen uso de esquemas de doble cohesión scheme.[19][20] Las dos imágenes superiores muestran ejemplos de entramados basados en azulejos de motivos. Se pueden crear arreglos en dos dimensiones con estructuras aperiódicas cuyo ensamblaje requiere de algoritmos específicos que generalmente se programan computacionalmente.[21] Los azulejos “DX” pueden ser construidos con extremos pegajosos a la elección de quien los dieseñe actuando de esta forma como “azulejos de Wang”. Se a demostrado que un arreglo DX cuyo ensamblaje codifica una operación XOR permite que el arreglo de ADN genere de forma autónoma un fractal que se conoce como Triángulo de Sierpinski. La tercera imagen a la derecha muestra este tipo de arreglo.[15] Otro sistema que también ha sido estudiado es el del contador binario, en el cual el arreglo está codificado por números binarios crecientes. Ambos ejemplos, (XOR y contador binario) muestran como la programación de algoritmos puede ser incorporada a la creación de arreglos de ácidos nucléicos.[22]

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2.2.2 Estructuras discretas Varios investigadores han sintetizado una gran cantidad de complejos tridimensionales con formas y conexiones de poliedros, cubos y octaedros lo que significa que los dúplex de ADN marcan los vértices de estas estructuras.[28] Sin embargo, las construcciones de poliedros son muy difíciles de realizar ya que se requieren múltiples ligaciones y pasos de síntesis en fases sólidas para crearlos.[29] Trabajos recientes han reportado que las construcciones de este tipo de estructuras son más fáciles hoy en día. [30] Por ejemplo, los octaedros hechos de cadenas simples diseñadas para doblarse en la conformación correcta,[31] y los tetraedros que puede ser construidos a partir de cuatro cadenas de ADN en un simple paso, como se muestra al principio de este artículo.[1] Las nanoestructuras de figuras arbitrarias e irregulares son usualmente construidas mediante el método de origami de ADN. Estas estructuras utilizan largas hebras de virus como andamios, las cuales permiten que las cadenas originales se doblen en la figura deseada según se les haya diseñado computacionalmente creando cadenas cortas “engrapadas”. Este método tiene la ventaja de ser sencillo al momento de diseñar ya que las secuencias de ácidos nucléicos son predeterminadas por la secuencia de las cadenas del andamio (en inglés, scaffold) lo que implica que no es necesaria una alta pureza y una alta estequiometría a diferencia de lo que sucede en la mayoría de los métodos de ensamblaje donde sí son necesarios estos dos atributos. La primera estructura que se creó con el método del ADN origami fue la de una “carita feliz” con estructura bidimensional y un borrador del mapa del hemisferio oeste.[28][32] Estructuras sólidas tridimensionales pueden ser creadas usando hélices paralelas de ADN organizadas en un patrón de “panal”[33] y también, las estructuras con forma de “carita feliz” en dos dimensiones puede ser diseñadas para superponerse y formar una estructura hueca tridimensional parecida a una caja de cartón. Esta estructura puede ser programada para abrirse y cerrarse según estímulos, dándoles un potencial increíble para ser utilizadas como cápsulas moleculares.[34][35]

Los arreglos de tipo DX han sido utilizados para formar nanotubos huecos con diámetros de entre de 4 a 20 nm mediante entramados que se curvan entre sí.[23] Estos nanotubos son similares en forma y tamaño a los nanotubos de carbono, solo que éstos no son conductores eléctricos como los de carbono, por lo que su modificación y apareamiento con otras estructuras es mucho más fácil. [24] Uno de los tantos esquemas utilizados para construir nanotubos se basa en usar los motivos DX que se curvan en 2.2.3 Ensamblaje con plantillas sí mismos.[25] Cuando se usan motivos como azulejos de una sola cadena la rigidez de los tubos son una propiedad Las estructuras de ácidos nucléicos pueden diseñarse paque emerge una vez que éstos se curvan en sí mismos.[26] ra incorporar (hospedar) otras moléculas que no necesaLa creación de entramados tridimensionales a partir de riamente sean de ácidos nucléicos que normalmente se ADN ha sido la meta alcanzada más reciente de la nano- llaman heteroelementos los cuales incluyen: proteínas, tecnología, ya que éstos suponían un difícil reto de llevar nanopartículas metálicas, puntos cuánticos y fullerenos. a cabo. El éxito se alcanzó en el 2009, cuando científicos Esto permite la construcción de materiales y dispositidecidieron utilizar un motivo que se basaba en el con- vos con una amplia gama de funcionalidades, mucho más cepto de tensegridad, el cual consta en un balance entre grande de la que tienen los ácidos nucléicos por sí mismos. La meta es usar la propiedad de autoensamblaje de tensión y compresión.[21][27] los ácidos nucléicos para “calcar” y asociar otras nanopartículas a estas estructuras y que puedan coexistir, controlando de esta manera su posición y orientación.[28] [36] Muchos de éstos métodos usan una unión covalente me-


14

CAPÍTULO 2. NANOTECNOLOGÍA DE ADN

diante oligonucleótidos con amidas o tioles (grupos funcionales que permiten la unión de heteroelementos). Esta unión covalente ha sido utilizada para añadir partículas de oro. [37] y para organizar proteínas como la estreptavidina en patrones específicos en arreglos tipo DX.[38][39] Los nanotubos de carbono han demostrado ser buenos hospederos para cierto tipo de moléculas actuando como dispositivos electrónicos moleculares.[40] Además, los ácidos nucléicos pueden metalizarse, lo que implica que el ácido nucléico puede ser reemplazado por un metal conservando la forma y la estructura original.[41] y permitiendo la litografía y solidificación de estas superficies.[2]

2.3 Nanotecnología de ADN dinámica La nanotecnología dinámica de ADN se enfoca en crear sistemas de ácidos nucléicos con funcionalidades dinámicas relacionadas con su estructura en general, tales como la computación y el movimiento mecánico. Existe una superposición entre la nanotecnología estructural y la nanotecnología dinámica, ya que las estructuras pueden ser formadas mediante alineación y luego ser reconfiguradas dinámicamente, o bien, puede ser construidas de forma dinámica desde el principio.[28][42]

2.3.1

2*

2* 2

1

(b)

(c)

3

Dispositivos nanoquímicos

Los complejos de ADN se han diseñado para cambiar su conformación mediante estímulos convirtiendo a estas estructuras en dispositivos nanorobóticos. Inicialmente, éstas construidas en la misma manera que las estructuras estáticas en el campo de la nanotecnología estructural de ADN, sin embargo, están diseñadas para que su reconfiguración dinámica sea posible después del ensamblaje inicial.[11][42] El primer dispositivo de este tipo fue el que podía realizar la transición de la forma ADN-B a la forma ADN-Z gracias a estímulos proporcionados por cambios en la solución amortiguadora en la que se encontraba, de esta manera cuando había cambios en la solución la estructura se torcía según fuera el caso.[43] Sin embargo, todas las estructuras que fueran colocadas en el buffer sufrían cambios estructurale al mismo tiempo, por lo que los siguientes sistemas creados trataron de limitar y especificar las condiciones de cambio para cada estructura. De esta forma, múltiples estructuras podían ser operadas independientemente en la misma solución. Algunos ejemplos de tales sistemas son los tweezers moleculares, estructuras que pueden cambiar desde la forma PX (entrecruzamiento paranémico) a la forma JX2 (unión doble tipo J) mediante expansiones y contracciones que son controladas por estándares.[44] [45] [46] Este tipo de estructuras han sido también dinámicamente diseñadas para abrirse o cerrarse y actual como jaulas moleculares para liberar otras moléculas funcionales al mo-

+

3

(a)

1*

(d)

2*

+

2*

1*

2

1

La nanotecnología dinámica de ADN normalmente hace uso de los desplazamientos de cadena mediados por puntos de apoyo. En este ejemplo, la cadena roja se une a región de apoyo comprendida por una hebra sencilla (en verde, región 1) y luego mediante un proceso de migración se une a la región 2, donde la cadena azul es desplazada y liberada del complejo. Reacciones como esta son usadas para dinámicamente reconfigurar o ensamblar nanoestructuras de ácidos nucléicos. Además, las cadenas roja y azul pueden ser utilizadas como señales en cascadas moleculares de señalización.

mento de abrirse.[34][47][48] Los caminantes de ADN (en inglés, DNA walkers) son una clase de nanomáquinas de ácidos nucléicos que presentan movimiento direccional mediante una vía o camino lineal. Varios esquemas de este tipo han sido propuestos.[42] Una estrategia es la de controlar el movimiento de la molécula caminante (o "walker" en inglés) usando controles de estándar que necesitan ser manualmente añadidos a la secuencia.[49][50] Otro enfoque es el


2.4. APLICACIONES de usar enzimas de restricción o desoxiriboenzimas para cortar las cadenas y hacer que la molécula caminante se mueva hacia adelante autónomamente.[51][52] Un último sistema, que se encuentra en desarrollo, puede caminar sobre una superficie de dos dimensiones en vez de hacerlo en una sola a parte de seleccionar a moléculas específicas y moverlas.[53] Adicionalmente, se ha demostrado que un caminante lineal puede realizar la síntesis a partir de una cadena muestra mientras avanza por su recorrido permitiendo de esta manera una síntesis química en multipasos dirigida por el caminante. [54]

2.3.2

Cascadas de desplazamiento de hebras

15 Otro uso de las cascadas de desplazamiento de cadenas puede ser el de realizar estructuras mediante el ensamblaje de motivos dinámicos. Estas usan una estructura extra de “horquilla” para los reactivos, así cuando la cadena de señalización se une la cadena que se libera ésta queda pegada al complejo y no se desensambla o degrada. De esta forma las horquillas pueden añadirse a complejos crecientes. Este método se ha utilizado para hacer estructuras simples como las uniones de tres y cuatro brazos así como dendrímeros.[55]

2.4 Aplicaciones La nanotecnología de ADN proporciona una de las pocas formas para crear estructuras complejas y diseñadas con preciso control a nivel nanoescala. El campo de esta ciencia ha empezado a ver aplicación en la resolución de problemas científicos básicos en la biología estructural y la biofísica. La aplicación más reciente y aún en desarrollo, es en el campo de la cristalografía, donde las moléculas que son difíciles de cristalizar cuando se encuentran aisladas pueden ser re-acomodadas en estructurales tridimensionales con ayuda de etramados de ácidos nucléicos (en inglés, nucleic acid lattices) que permiten la determinación y caracterización de su estructura. Otra aplicación es la de usar el las barras de ADN origami para reemplazar cristales líquidos en experimentos de acoplamiento dipolar residual en la espectroscopía de resonancia magnética de proteínas. Usar ADN tipo origami es ventajoso porque a diferencia de los cristales líquidos, el ADN origami es tolerante a detergentes, los cuales se necesitan para re-suspender membranas de proteínas en solución. Los caminantes de ADN también se han utilizado para movilizar y dirigir partículas en síntesis químicas. Además, el ADN origami ha ayudado al estudio biofísico de las enzimas y sus propiedades de plegamiento y funcionalidad.[10][58]

Las cascadas de desplazamiento de cadenas o hebras pueden ser usadas tanto con propósitos computacionales como con propósitos estructurales. Una reacción de desplazamiento de cadena individual (o hebra) involucra la síntesis de una nueva secuencia en respuesta a la presencia de alguna hebra iniciadora. Muchas de estas reacciones pueden ser ligadas a cascadas bioquímicas donde la nueva secuencia de una reacción puede generar una nueva reacción de desplazamiento en alguna otra parte de la construcción. Todo esto, permite la construcción de redes químicas con muchos componentes, con habilidades computacionales y de procesamiento de información compleja. Estas cascadas son energéticamente favorables dado a la formación de los nuevos pares de bases aumentando la entropía gracias al desensamble que provocan las reacciones. Las cascadas de desplazamiento de hebras permiten operaciones isotérmicas al contrario de lo que sucede con la forma tradicional de ensamblaje de ácidos nucléicos en la cual se necesita calor para poder llevar a cabo el alineamiento, en estos casos la temperatura se eleva y se disminuye para asegurar la correcta formación de la estructura. Las reacciones de desplazamiento de cadena puede también catalizar la funcionalidad de las especies iniciadoras, lo que implica que menos de un equivalente La nanotecnología de ADN está creciendo con un gran de iniciador puede realizar la reacción completa.[11][55] potencial en aplicaciones sobre el mundo real. La habiliLos complejos de desplazamientos de cadenas pueden dad de los arreglos de ácidos nucléicos de acomodar otras ser usados para hacer “puertas lógicas moleculares” ca- moléculas indica que la nanotecnología de ADN tiene paces de computación compleja. A diferencia de las un gran potencial en aplicaciones electrónicas de escala computadoras electrónicas tradicionales (que usan co- molecular. El ensamblaje de estas estructuras podría ser rriente eléctrica tanto de entrada como de salida), las usado para regular el ensamblaje de elementos molecucomputadoras moleculares usan concentraciones especí- lares electrónicos tales como cables moleculares, proporficas de algunas especias químicas como señales. En el cionando un método de control nanométrico para crear a plataformas donde caso de circuitos de cadena de desplazamiento de ácidos dispositivos moleculares parecidos [10][28] La nanotecnose pueden adjuntar otras moléculas. nucléicos, la señal es la presencia de una cadena de ácidos logía de ADN se ha comparado con el concepto de matenucléicos que ha sido liberada o consumida por efectos de ria programable ya que une los conceptos de programaapareamiento o desapareamiento a otras cadenas en estos complejos. Este enfoque ha sido utilizado para hacer ción y computación con el de las propiedades físicas de haciendo de este material, materia “puertas” lógicas (en inglés, logic gates) tales como las los ácidos nucléicos, [59] programable. [56] puertas lógicas “y”, “o” y “no”. Recientemente, se ha demostrado que un circuito de cuatro bits ha sido capaz En un estudio conducido por un grupo de científicos del de computar la raíz cuadrada de 0-15, usando un sistema iNANO center y el CDNA Center en la Universidad de de puertas con 130 cadenas de ADN.[57] Aarhus, Aarhus, investigadores han sido capaces de cons-


16 truir pequeñas cajas multisensoriales en 3D. Esta nanopartícula fue caracterizada mediante un microscopio de fuerza atómica, un microscopio electrónico de transmisión y también mediante la transferencia de energía de resonancia de Förster. La cajita construida presentó un mecanismo de cerrado único, lo que le permitía abrirse y cerrarse como respuesta a un único set de moléculas de ADN y ARN específicas. Los autores propusieron que este dispositivo de ADN podía ser utilizado en amplias aplicaciones tal como la de controlar la función de depósito moléculas, por ejemplo en medicina, controlando la administración de fármacos en función a ciertos estímulos o estructuras.[60] Por lo tanto, hay muchas aplicaciones potenciales para la nanotecnología de ADN en la medicina al hacer uso de este tipo de habilidades programables y crear “fármacos inteligentes” biocompatibles para la administración de medicinas en sitios específicos. Uno de estos tipos sistemas que actualmente se encuentra bajo investigación, utiliza cajas huecas de ADN que contienen proteínas que inducen la apoptosis (o muerte celular) que solo abrirán su estructura de puerta cerca de células cancerosas.[58][61] Ha habido también un interés adicional en expresar este tipo de estructuras en bacterias modificadas genéticamente usando ARN para el ensamblado. Sin embargo, no se sabe si estas estructuras serán eficientes al momento del plegamiento o al momento de ensamblarse en el citoplasma de la célula. Si resultan ser exitosas, esto podría abilitar la evolución dirigida de nanoestructuras.[28]

CAPÍTULO 2. NANOTECNOLOGÍA DE ADN expresión génica que fue efectivamente modificada por el ARN de interferencia proponiendo así un futuro prometedor de esta nanoestructura como una herramienta para terapias génicas mediante la administración y liberación de ARN de interferencia.[65][66]

2.5 Diseño Las nanoestructuras de ADN debe ser diseñadas racionalmente para que las cadenas individuales de ácidos nucléicos se ensamblen en las conformaciones desdeadas. Este proceso usualmente comienza con la especificación de la estructura deseada (estructura terciaria), así como la de su funcionalidad. Después, la estructura secundaria del complejo es determinada al especificar el acomodo entre las cadenas de ácidos nucléicos y qué partes de las cadenas deberán unirse unas con otras. El último paso, es el diseño la estructura primaria, que consta en la especificación de la secuencia de bases que se va a utilizar. En teoría, el proceso de diseño es como el proceso en reversa del plegamiento de las proteínas.[67][68]

2.5.1 Diseño de la estructura

El primer paso del diseño de nanoestructuras de ADN es el de decidir cómo una estructura puede ser representada mediante un arreglo específico de cadenas de ácidos Científicos en la Universidad de Oxford reportaron el au- nucléicos. Este paso determina a la estructura secundatoensamblaje de cuatro cadenas cortas de ADN sintético ria a la estructura primaria.[67] Varios enfoques han sido en una jaula que era capaz de entrar a las células y de so- utilizados: brevivir en ellas por lo menos 48 horas. Las estructuras de tetraedro fueron marcadas con marcadores fluorescen• Estructuras basadas en azulejos: Este enfoque tes y se encontraron intactas en el las células cultivadas rompe a la estructura objetivo en estructuras más en laboratorio de riñón a pesar de la respuesta de atapequeñas que poseen la característica de cadenas que por las enzimas celulares después de dos días. Este de ácidos nucléicos con fuertes enlaces de unión, experimento demostró el potencial de lo que puede supoasí como interacciones un poco menos fuertes que ner la administración específica de fármacos a nivel mounen a las pequeñas estructuras entre sí. Este enfolecular usando las “jaulas” de ADN sintético. [62][63][64] que es normalmente utilizado para hacer entramaTambién, en el Instituto Tecnológico de Massachusetts dos con patrones periódicos, pero también puede ser un tetraedro de ADN fue utilizado para liberar ARN de usado para implementar un autoensamblaje algorítinterferencia en un modelo de ratón. La administración mico haciendo posibles plataformas para la compude tratamientos en donde los ARN de interferencia son tación de ADN. Esta estrategia fue la que se utilizó liberados han demostrado ser un éxito usando en conjuncon mayor frecuencia a mediados de 1990 y hasta to lípidos o polímeros, pero aún hay limitaciones de semediados de los 2000’s, que fue cuando el método guridad y de impreciso blanco (es decir, que se libere el de ADN origami empezó a desarrollarse.[67][69] compuesto en una ubicación no deseada), además de una vida corta en el torrente sanguíneo. Esta nanoestructura • Estructuras plegables: Una alternativa al método de ADN creado por el equipo del MIT consiste en 6 cade los azulejos es el del plegamiento a partir de una denas de ADN que forman un tetraedro con una cadena cadena larga. Esta cadena larga puede tener una sesimple the ARN pegada a cada una de las 6 equinas. El cuencia diseñada que se pliegue debido a las intertetraedro es equipado a parte con porteínas de sitio espeacciones con ella misma o bien, puede ser plegada cífico, tres moléculas de folato que guían a la estructura en una forma deseada usando cadenas más cortas a lugares donde hay una gran cantidad de receptores de denominadas “grapas” que ayudan a forzar el plegafolato que normalmente se encuentran en grandes cantimiento de la cadena larga. Este método es conocido dades en ciertos tumores. El resultado demuestra que la como origami de ADN y permite la creación de fi-


2.6. MATERIALES Y MÉTODOS guras bidimensionales y tridimensionales de ADN.

17 limitada a solo 4 posibles formas de nucleótidos.[70]

[28][32]

• Ensamblaje dinámico: Este enfoque controla directamente la cinética química del autoensamblado del ADN al momento de especificar a todos los intermediarios en el mecanismo de reacción a parte de la especificación del producto final. Esto se hace usando materiales iniciales que adoptan una estructura de horquilla, éstos entonces se van modificando estructuralmente en una cascada de reacciones con orden específico. Este enfoque tiene la ventaja de poder realizarse mediante procesos isotérmicos (a temperatura constante) que no requieren del cambio de temperatura para el alineamiento y apareamiento de las bases para formar la estructura deseada.[28][55]

2.5.2

2.6 Materiales y métodos

Diseño de la secuencia

Después de que cualquiera de los enfoques mencionados anteriormente se haya utilizado para diseñar la estructura secundaria del complejo objetivo, una secuencia de nucleótidos debe construirse. El diseño del ácido nucléico consta en asignar bases nitrogenadas específicas para que éstas se asocien en la conformación deseada. La mayoría de los métodos tienen el objetivo de diseñar secuencias para que la estructura final tenga la menor cantidad de Energía de Gibbs (es decir, que sea un ensamblaje espontáneo), por lo que este método es el más favorable termodinámicamente hablando ya que estructuras ensambladas de forma incorrecta tienden a tener energías de Gibbs elevadas lo que causa un mal funcionamiento y probablemente desensamble de la estructura. Este proceso se realiza mediante métodos heurísticos tales como la minimización de la secuencia simétrica, o utilizando el modelo termodinámico del “vecino más cercano”, (en inglés, nearest neighbor), el cual es más exacto pero más tardado y complejo a nivel computacional. Modelos geométricos son utilizados para examinar la estructura terciaria de las nanoestructuras para asegurar que los complejos no estén demasiado tensados.[68][70] El diseño de ácidos nucléicos tiene objetivos similares a los del diseño de proteínas. En ambos, la secuencia de monómeros es diseñada para favorecer las estructuras objetivo y para desfavorecer otras estructuras que puedan llegar a formarse. El diseño de ácidos nucléicos tiene la ventaja de ser mucho más fácil a nivel computacional que el del diseño de proteínas, ya que la regla de apareamiento entre las bases es mucho más sencilla y no requiere información completa sobre la estructura para poder llevarse a cabo un diseño. Esto permite el uso de simples métodos heurísticos que generan buenos borradores de diseños. Sin embargo, las estructuras de ácidos nucléicos son menos versátiles que las de las proteínas ya que éstas últimas poseen una mayor habilidad para plegarse de acuerdo a la polaridad y carga de los 20 posibles aminoácidos, mientras que los ácidos nucléicos tienen una diversidad

Electroforesis en gel. Métodos como éste se utilizan para realizar ensayos de formación en complejos tipo DX para asegurar que la estructura deseada se está ensamblando adecuadamente. Cada canal vertical, contiene una serie de bandas donde cada banda específica la estructura de cada intermediario que surge en la reacción.

Las secuencias de las cadenas de ADN para generar una estructura deseada son diseñadas computacionalmente usando softwares de modelaje molecular y modelaje termodinámico.[68][70] Posteriormente, los ácidos nucléicos son sintetizados usando métodos de síntesis de oligonucleótidos, usualmente automatizados en un sintetizador de oligonnucleótidos, algunas cadenas de secuencias comunes y conocidas están ya disponibles a la venta.[71] Las cadenas pueden ser purificadas mediante electroforesis para desnaturalización si se requiere[72] y las concentraciones se puede determinar mediante métodos de cuantificación de ácidos nucléicos usando espectroscopía ultravioleta.[73] La estructura totalmente ensamblada y completa puede ser verificada usando un gel de electroforesis para estado nativo, el cual proporciona información de tamaño y figura para complejos de ácidos nucléicos. También, un ensayo de cambio en la corrida electroforética puede proporcionar información de si la estructura deseada incorpora todas las cadenas necesarias.[74] Las estructuras de ácidos nucléicos pueden ser directamente visualizadas mediante microscopios de fuerza atómica, el cual sirve para visualizar estructuras en dos dimensiones pero no tan útil para visualizar estructuras discretas en tres dimensiones por la frágil interacción de la punta del microscopio con la muestra de ácidos nucléicos, para ello, se utiliza el microscopio electrónico de transmisión o bien, el microscopio crioelectrónico. Entramados más grandes y de tres dimensiones son analizados por cristalografía de rayos X.[75][76]


18

2.7 Historia El concepto de “nanotecnología de ADN” fue acuñado por primera vez por Nadrian Seeman a principios de 1980.[77] La motivación original de Seeman era la de crear entramados tridimensionales de ADN para orientar a otra moléculas más grandes y que esto simplificara el estudio de cristalografía eliminando las dificultades que se presentan al tratar de obtener cristales puros. Esta idea se le ocurrió a Seeman a finales de los 80’s tras haber descubierto la similitud entre la xilografía de M.C Escher y un arreglo de ADN de seis brazos.[3][78] Un número bastante accesible de estructuras ramificadas de ADN se conocían en ese entonces, incluyendo la “horquilla de replicación” del ADN y la estructura “Holliday”, pero el enfoque de Seeman era que las uniones de ácidos nucléicos podían ser creadas al diseñar adecuadamente las secuencias de las cadenas para remover la simetría en la molécula ensamblada y estas uniones inmóviles podrían ser en principio combinadas con entramados rígidos cristalinos. El primer ensayo teórico proponiendo este enfoque fue publicado en 1982, y la primera demostración experimental fue publicada al siguiente año.[5][28] En 1991, el laboratorio de Seeman publicó un reporte donde se detallaba la síntesis de un cubo hecho a partir de ADN, la primera nanoestructura tridimensional sintetizada a partir de ADN, por la cual Seeman recibió el premio Feynman en Nanotecnología otorgado por el Instituto Foresight de Nanotecnología. A este gran éxito le siguió la creación de un octaedro truncado. No obstante, pronto se hizo claro el hecho de que estas estructuras poligonales con uniones (vértices) flexibles no eran lo suficientemente rígidas como para extenderse a entramados tridimensionales. A esto, Seeman desarrolló motivos estructurales más rígidos como el motivo de “doble entrecruzamiento” DX, y en 1998 en colaboración con Erik Winfree, publicó la creación de entramados bidimensionales con motivos DX como azulejos.[3][77][79] Esta estructura basada en azulejos tenía la capacidad de implementar la computación de ADN, lo que se terminó por demostrar en el reporte que Winfree y Paul Rothemund publicaron en el 2004, el cual hablaba sobre el autoensamblaje algorítmico del fractal de Sierpinski Gasket y por el que ganaron el premio Feynman en Nanotecnología en el 2006. La clave de este éxito fue que Winfree observó que los motivos DX podían ser capaces de computar algoritmos.[77] La construcción de un entramado tridimensional fue finalmente publicada por Seeman en el 2009, casi treinta años después de que él se propuso la idea.[58] Nuevas propiedades y capacidades del ADN se siguieron descubriendo durante los años 2000. La primera nanomáquina (un motivo que cambia su estructura en respuesta a estímulos) fue presentada por Seeman en 1999. Un sistema mejorado de éste fue el que presentó Bernard Yurke al siguiente año, el cual utilizaba desplazamientos de cadena mediados por puntos de apoyo. El siguiente avance fue el de trasladar estas estructuras al concepto

CAPÍTULO 2. NANOTECNOLOGÍA DE ADN mecánica funcional y fue entonces en el 2004 y 2005 que se crearon los caminantes de ADN (o walkers, en inglés) presentados por varios equipos de trabajo, entre ellos los de Seeman, Niles Pierce, Andrew Turberfield, y Chengde Mao.[42] La idea de usar arreglos de ADN para “calcar” (o controlar) el ensamblaje de otras moléculas tales como nanopartículas y proteínas, sugerida primero por Bruche Robinson y Seeman en 1987,[80] fue completada en el 2006 y en el 2007 por los grupos de investigación de Hao Yan, Peter Dervan, y Thomas LaBean.[5][36] En el 2006, Rothemund demostró por primera vez la técnica de ADN origami para crear de manera fácil y rápida estructuras plegadas de ADN de formas arbitrarias. Rothemund propuso este método al basarse de forma intermedia entre los conceptos de los entramados de Seeman (los cuales usan cadenas cortas) y el octaedro de William Shih (el cual consiste en una sola cadena muy larga y plegada). La idea de Rothemund del ADN origami se basa en tener una sola cadena muy larga de ácidos nucléicos que se pliega con ayuda de cadenas cortas de ácidos nucléicos. Este método permitió la creación de muchas estructuras largas que antes no podían construirse mediante una forma menos demandante en niveles de diseño y síntesis.[79] El tema del “ADN origami” llegó a ser la portada de la revista Nature en marzo 15 del 2006.[32] La investigación de Rothemund presentaba estructuras bidimensionales, que posteriormente fueron tridimensionales gracias al trabajo de Douglas et al. en el 2009.[33] También, Jørgen Kjems y sus colaboradores presentaron estructuras tridimensionales huecas construidas a partir de estructuras (planos) bidimensionales.[58] La nanotecnología de ADN fue recibida en primera instancia con algo de escepticismo debido al uso no biológico de los ácidos nucléicos como materiales de construcción para crear estructuras y computar algoritmos, a parte de no tener aplicaciones sólidas. En el artículo científico de Seeman, que hablaba sobre el primer cubito sintetizado, publicado en 1991 fue rechazado por la revista Science ya que un revisor criticó al artículo con falta de aplicaciones relevantes para la biología. Sin embargo, a principios del 2010, el campo de la nanotecnología se había extendido y habían aumentado potencialmente las aplicaciones de ésta en la ciencia básica, considerándose viable el uso de las nanoestructuras en la medicina y otras ciencias.[58][81] La nanotecnología pasó de ser estudiada en pocos laboratorios en el 2001 a ser estudiada en más de 60 laboratorios en el 2010, lo que incrementó el talento y el avance científico de la misma.[21]

2.8 Ver también • Nanotecnología • ADN • ácidos nucléicos


2.9. REFERENCIAS

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19

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2.11. ENLACES EXTERNOS • Zadegan, Reza M.; Norton, Michael L. (June 2012). «Structural DNA Nanotechnology: From Design to Applications». Int. J. Mol. Sci. 13 (6): 7149–7162. doi:10.3390/ijms13067149. PMC 3397516. PMID 22837684.—A very recent and comprehensive review in the field Subcamos específicos: • Bath, Jonathan; Turberfield, Andrew J. (5 de mayo de 2007). «DNA nanomachines». Nature Nanotechnology 2 (5): 275–284. Bibcode:2007NatNa...2..275B. doi:10.1038/nnano.2007.104. PMID 18654284.—A review of nucleic acid nanomechanical devices • McLaughlin, Christopher K.; Hamblin, Graham D.; Sleiman, Hanadi F. (2011). «Supramolecular DNA assembly». Chemical Society Reviews 40 (12): 5647. doi:10.1039/C1CS15253J.— A review of the chemical aspects of DNA Nanotechnology • Feldkamp, Udo; Niemeyer, Christof M. (13 de marzo de 2006). «Rational design of DNA nanoarchitectures». Angewandte Chemie International Edition 45 (12): 1856–76. doi:10.1002/anie.200502358. PMID 16470892.—A review coming from the viewpoint of secondary structure design • Lin, Chenxiang; Liu, Yan; Rinker, Sherri; Yan, Hao (11 de agosto de 2006). «DNA tile based self-assembly: building complex nanoarchitectures». ChemPhysChem 7 (8): 1641–1647. doi:10.1002/cphc.200600260. PMID 16832805.—A minireview specifically focusing on tile-based assembly • Zhang, David Yu; Seelig, Georg (February 2011). «Dynamic DNA nanotechnology using strand-displacement reactions». Nature Chemistry 3 (2): 103–113. Bibcode:2011NatCh...3..103Z. doi:10.1038/nchem.957. PMID 21258382.—A review of DNA systems making use of strand displacement mechanisms

2.11 Enlaces externos • International Society for Nanoscale Science, Computation and Engineering • What is Bionanotechnology?—a video introduction to DNA nanotechnology

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CAPÍTULO 2. NANOTECNOLOGÍA DE ADN

2.12 Origen del texto y las imágenes, colaboradores y licencias 2.12.1

Texto

• Nanotecnología molecular Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Nanotecnolog%C3%ADa_molecular?oldid=86853751 Colaboradores: CEM-bot, FrescoBot, Dexbot, Dariel Torres y Laura Lopez Santibañez Jacome • Nanotecnología de ADN Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Nanotecnolog%C3%ADa_de_ADN?oldid=83307230 Colaboradores: Thelmadatter, Jcfidy, BenjaBot, Elisa Jarquin, Emilio Bosch y Anónimos: 1

2.12.2

Imágenes

• Archivo:DNA_nanostructures.png Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/55/DNA_nanostructures.png Licencia: CC BY 2.5 Colaboradores: Strong M: Protein Nanomachines. PLoS Biol 2/3/2004: e73. http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.0020073 Artista original: (Images were kindly provided by Thomas H. LaBean and Hao Yan.) • Archivo:DNA_tetrahedron_white.png Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ad/DNA_tetrahedron_white.png Licencia: CC BY-SA 3.0 Colaboradores: Trabajo propio Artista original: Antony-22 • Archivo:DX_DNA_array.png Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d5/DX_DNA_array.png Licencia: CC BYSA 3.0 Colaboradores: Trabajo propio Artista original: Antony-22 • Archivo:DX_formation_gel.png Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/42/DX_formation_gel.png Licencia: CC BY-SA 3.0 Colaboradores: Trabajo propio Artista original: Antony-22 • Archivo:Foglet.jpg Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d4/Foglet.jpg Licencia: Public domain Colaboradores: Made myself using Cinema4D R8. Artista original: Steven Martin • Archivo:Mao-4armjunction-schematic.png Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c5/ Mao-4armjunction-schematic.png Licencia: CC BY 2.5 Colaboradores: Mao, Chengde (December 2004). “The Emergence of Complexity: Lessons from DNA”. PLoS Biology 2 (12): 2036-2038. DOI:10.1371/journal.pbio.0020431. ISSN 1544-9173. Artista original: Chengde Mao • Archivo:Mao-DX-schematic-2.svg Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/64/Mao-DX-schematic-2.svg Licencia: CC BY 2.5 Colaboradores: Mao, Chengde (December 2004). “The Emergence of Complexity: Lessons from DNA”. PLoS Biology 2 (12): 2036-2038. ISSN 1544-9173. doi:10.1371/journal.pbio.0020431 Artista original: Mao Chengde • Archivo:Mao-DXarray-schematic-small.gif Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/ Mao-DXarray-schematic-small.gif Licencia: CC BY 2.5 Colaboradores: Mao, Chengde (December 2004). “The Emergence of Complexity: Lessons from DNA”. PLoS Biology 2 (12): 2036-2038. ISSN 1544-9173. doi:10.1371/journal.pbio.0020431 Artista original: Chengde Mao • Archivo:Molecularpropeller.jpg Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8a/Molecularpropeller.jpg Licencia: Public domain Colaboradores: Transferido desde en.wikipedia a Commons. Image is derived from the article located here. Artista original: The original uploader was Pkuwangboyang de Wikipedia en inglés. Author is Petr Král, Assistant Professor. Department of Chemistry M/C 111. University of Illinois at Chicago. • Archivo:Nanob.jpg Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ec/Nanob.jpg Licencia: CC-BY-SA-3.0 Colaboradores: ? Artista original: ? • Archivo:Rothemund-DNA-SierpinskiGasket.jpg Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fb/ Rothemund-DNA-SierpinskiGasket.jpg Licencia: CC BY 2.5 Colaboradores: Transferred from en.wikipedia Artista original: Original uploader was Antony-22 at en.wikipedia • Archivo:SierpinskiTriangle.svg Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/80/SierpinskiTriangle.svg Licencia: Public domain Colaboradores: Trabajo propio Artista original: PiAndWhippedCream • Archivo:Strand_displacement.svg Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1d/Strand_displacement.svg Licencia: CC BY-SA 3.0 Colaboradores: Trabajo propio Artista original: Antony-22

2.12.3

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Nanotecnología molecular  
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