5 jul. 2015

Nanotecnología de ADN: Cuando los nanobots nos alcancen

Un paciente con cáncer terminal respira agitado. Una sustancia líquida, que contiene trillones de minúsculos objetos, es inyectada dentro de su cuerpo. Una vez dentro, estas pequeños objetos surcan su sangre. En su danza aleatoria atraviesan tejidos, órganos y chocan con diferentes células, hasta que finalmente una de nuestras naves nanométricas colisiona con una célula cancerígena y establece contacto. De repente es engullida por la célula y una vez dentro, siguiendo las instrucciones precisas con las que fue diseñada, libera un cargamento de moléculas que tienen la finalidad de eliminarla. El paciente aún aturdido por la inyección, respira profundamente y se pregunta si tendrá un día mas con vida. Esta historia no es ciencia ficción es ahora una realidad. Actualmente nano-robots construidos con ADN están siendo probados para curar enfermedades como el cáncer, construir sensores y sistemas artificiales con vida propia; y pronto sabremos si lo logran.

Nanorobots de ADN programado para atacar células cancerígenas.
Imagen creada por Campbell Strong, Shawn Douglas & Gael McGill (imagen tomada de Nature, 2012).

Inicio de un era

 En 1953 en un artículo con extensión de una página un par de jóvenes muy ambiciosos llamados James Watson y Francis Crick, reportaban la estructura de los ácidos deoxirribonucleicos ó ADN. No imaginaban que esa página abriría toda una nueva era de descubrimientos y avances científicos y tecnológicos extraordinarios. Su artículo explicaba los fundamentos de la herencia y con ello innumerables fenómenos como el origen y evolución de las especies, causas y curas de enfermedades, además de ayudar a entender temas tan dispares como las migraciones y hasta aspectos de la esfera social y cultural humana.


Watson y Crick mostrando su modelo molecular del ADN
(foto tomada de internet).

Nanomáquinas de ADN, la revolución por venir

 El descubrimiento de la estructura del ADN dio paso a una de las revoluciones científicas mas importantes que la humanidad ha atestiguado. Si esto no fuera suficiente hace unos años ha dado origen a una segunda revolución. Esta nueva revolución BioNanotecnológica usa al ADN como material de construcción de un sinfín de máquinas moleculares con propiedades insólitas y las usa en aplicaciones tan imprevistas como singulares que van desde hacer computación hasta curar el cáncer. ¿Cómo es que el ADN pasó de ser la materia básica de la herencia y de interés para biólogos hasta volverse en el material mas versátil y preciso que se conoce hasta el momento para construir máquinas moleculares?

Reconocimiento Molecular

 La impresionante capacidad del ADN para construir máquinas moleculares radica en su capacidad de reconocimiento molecular que se origina a partir de la composición de su unidad básica: el ácido nucleico. Este esta compuesto de una base nitrogenada unida a un azúcar (desoxirribosa) y esta a su vez a un fosfato. Los ácido nucleicos suelen enlazarse en hebras de hasta millones de unidades (Ver esquema 1). El reconocimiento molecular se origina en las bases nitrogenadas. Existen 4 diferentes: Citosina o “C”, Guanina o “G”, Adenina o “A” y Timina o “T”, que de acuerdo a las reglas de Watson-Crick interactúan exclusivamente en pares bien definidos: Citosina con Guanina y Adenina con Timina. Es decir, si tenemos una hebra de ADN con la secuencia: “GATTACA”, solo reconocerá y unirá a otra hebra con la secuencia complementaria “CTAATGT”. Es precisamente la capacidad de reconocimiento molecular de secuencias complementarias lo que permite al ADN construir estructuras con alta precisión en la nanoescala. Antes de ver lo que se puede construir veamos cómo se le ocurrió a alguien algo que ahora nos parece obvio.


Esquema 1. Descripción de la estructura molecular del ADN. Arriba: reconocimiento molecular
de las bases nitrogenadas. Abajo: composición de un ácido nucleico (foto tomada de wikipedia).


Escher y la Nanotecnología de ADN

 Pararse frente a una obra del artista Holandés M. C. Escher es toda una experiencia tan inspiradora como intrigante. Sus ilustraciones retan nuestra percepción y lógica, las cuales consideramos infalibles. Escher realizó una ilustración llamada “depth” (profundidad en inglés). En ella se observan series de peces organizados equidistantemente en una red tridimensional, cada uno apuntando en seis direcciones distintas (como en un cubo).

En los años 80’s es un bar de un campus universitario de Estados Unidos un personaje inquieto, curioso y ambicioso, tal como los jóvenes Watson y Crick de los 50’s, contemplaba esta ilustración é imaginaba que la figura central podía ser una molécula de ADN orientando moléculas en el espacio a través de su capacidad de reconocimiento. Es el momento cuando a Ned Seeman se le ocurre usarla para construir estructuras altamente organizadas y el concepto de Nanotecnología de ADN nace. Esta es la historia que Ned siempre cuenta a todo aquel que se le acerca a preguntar sobre el origen de su inspiración. Unos años después Ned reportó el uso del ADN para formar nanoestructuras y una nueva historia nació: el ADN como bloque de construcción de un minúsculo universo imposible de ver con nuestros ojos y de manipular con nuestras manos.




                      Izquierda: Ned Seeman, padre de la Nanotecnología de ADN (foto tomada de internet). Derecha: 
                      Depth (1955) grabado en madera, obra del artista holandés M. C. Escher (c). Imagen tomada 
                      de The Official M.C. Escher Website (foto tomada de internet).


Origami de ADN

 El concepto de la nanotecnología se concretó en los albores del siglo XXI cuando Paul Rothemund reportó el primer programa de computación para diseñar nano-estructuras de ADN. Paul sintetizó las hebras de ADN y al mezclarlas descubrió las formas exactas que el había previsto en su computadora como las icónicas "caras felices". Esto demostraba que cientos de hebras diferentes podían reconocerse y auto-ensamblarse en estructuras con formas precisas y bastante complejas. A partir de entonces un sinfín de estructuras cada vez más complejas se han reportado: engranes, redes, cubos, cápsulas, botellas, tubos, etc. Estas estructuras fueron bautizadas como “ADN Origami” al comparar el plegamiento de hebras de ADN con el plegamiento de pedazos de papel que se usan en el Origami.


 
Nanoestructuras construidas con ADN.
Pinheiro, A.  et. al. Nat. Nano. 2011 (6), 763-772.

Es preciso reconocer que el diseño de secuencias de ADN así como su manipulación no es ni fácil ni intuitivo (hay que manejar miles y miles de letras sin sentido a nuestra mirada), por eso es que la nanotecnología de ADN ha despegado debido al menos a: 1) desarrollo de computadoras y programas adecuados, 2) abaratamiento en la síntesis química de cadenas de ADN y 3) la existencia de equipos para visualizar y manipular materia en el nano-universo. Esto me ha enseñado que la ciencia disruptiva nace de la convergencia de varias disciplinas y capacidades tecnológicas, lo cual a través de un círculo virtuoso llevará a desarrollar a su vez nueva ciencia y tecnología. Por todo esto, sin duda alguna, Ned Seeman y Paul Rothemund se merecen el premio Nobel por el desarrollo de la Nanotecnología basada en ADN. Para ello solo falta que alguien use la Nanotecnología de ADN para beneficio de la humanidad, como por ejemplo curar el cáncer.

Caminantes, computadoras, robots y mas allá

 En los últimos años la nanotecnología de ADN ha pasado de desarrollar estructuras estáticas y sin función clara a programar estructuras dinámicas, máquinas y robots con capacidad de reconfiguración, computación y reconocimiento de estímulos celulares. Para dar dinamismo a estructuras de ADN, se hace uso de hebras cortas que tengan mayor grado de complementariedad para desplazar a otras hebras de la estructura. Haciendo uso de este principio se han diseñado moléculas de ADN que caminan de forma autónoma sobre una pista de ADN y transportan cargamentos de un lado a otro, o que catalizan una serie de reacciones químicas o propician el ensamblado de otra estructura o el crecimiento de un polímero mientras caminan. Así mismo, usando secuencias de ADN con capacidad de reconocimiento de otras moléculas (aptámeros) se han diseñado estructuras de ADN que guían el posicionamiento de moléculas tan diversas como proteínas, enzimas, anticuerpos, nano-partículas metálicas como oro ó plata, puntos cuánticos, nanotubos de carbono, metales, etc. para aplicaciones tan variadas que no hay espacio aquí para describirlas Recientemente se ha reportado el diseño de sistemas autónomos que se auto-reconfiguran y auto-replican, es decir que tengan vida.

Hacia la cura del Cáncer

 Recientemente un nuevo capítulo en la historia de la ciencia se esta escribiendo. Se reportó por primera vez la construcción de robots completamente hechos de ADN con cierto parecido a cápsulas que transportan en su interior fármacos anticancerígenos y que son capaces de reconocer células cancerígenas y liberar su contenido dentro de ellas. Esto ha causado gran sensación pero lo que ha llamado mas la atención recientemente en los medios es que estos nanorobots de ADN empezarán a ser probados clínicamente para curar el cáncer terminalen humanos (ve un video de como funcionan los nanorobots). De lograrse esto estaríamos entrando en una nueva era donde podríamos programar nanorobots para combatir enfermedades, inclusive desde nuestra casa como varios grupos de biohackers han propuesto.

Detalles del diseño de primer Nanorobot hecho con ADN y usado para eliminar células cancerígenas
Imagen tomada de Douglas, S. M., Bachelet, I. & Church, G. M. Science 335, 831–834 (2012).

Nano-estructuras de ADN y la frontera de la vida

 Uno de los programas de investigación mas ambiciosos basados en nanotecnología de ADN busca entender el origen de la vida y reinventarla a través de lograr el ensamblado de nanoestructuras que puedan ser evolucionadas dentro de la célula. Haciendo uso de la evolución se les puede dotar de estructuras y/o funciones que permitan ser integradas a la célula, imitarla o ir mas allá y crear células artificiales a partir de estructuras de ADN. Así mismo se están estudiado y diseñando nano-estructuras hechas con ARN (el primo del ADN) para explicar y recrear el origen de la vida. De lograrse todo esto, cambiaría radicalmente la vida como la conocemos en su escala mas fundamental y nuestro entendimiento acerca de ella, ya que como decía el físico Richard Feynman: “Si no lo puedo crear es por que no lo entiendo”.


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El ADN nos cuenta una de esas historias que no solo no deja de impresionar con el tiempo, si no que cada vez impresiona mas y de forma original y sorprendente. La nanotecnología de ADN aún está en construcción pero queda claro que haciendo uso de reglas de diseño sencillas los científicos están creando todo un nuevo universo de materiales diminutos que aunque no podemos ver y tocar tienen un futuro brillante y esperanzador que indudablemente nos alcanzará a todos.


Armando Hernández García
Investigador Postdoctoral
Universidad de Northwestern, Chicago, EEUU.
armando.hernandez-garcia@northwestern.edu



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