ADN per crear nanomaterials i aplicacions miniaturitzades

R+D CSIC és una publicació electrònica de la Oficina de Transferència de Tecnologia (OTT) per donar a conèixer la investigació dels centres del Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC). Està elaborada per la Unitat de Comunicació i Transferència de Tecnologia, Delegació del CSIC a Catalunya.

Nanotecnologia
ADN per crear nanomaterials i aplicaciones miniaturitzades

2 de desembre de 2009

Un equip d'investigadors del CSIC, de l'Institut de Química Avançada de Catalunya, estudia l'ús de segments d'ADN per crear nanomaterials. En un treball recent mostren com han aconseguit, per primera vegada, crear una estructura d'ADN sobre una superfície d'or. L'ADN és una de les opcions més prometedores de la nanociència per formar matrius de complexitat creixent en una, dues o tres dimensions i posicionar-hi, de forma controlada, nanopartícules, anticossos, proteïnes, nanocables i un llarg etcètera. Les aplicacions encara estan lluny però, donada la quasi infinita possibilitat de combinacions, podria crear-se gairebé qualsevol cosa imaginable.

	Gràfic de la construcció de cristalls d'ADN a partir de dos tipus de "teules". Per veure amb detall, podeu fer click en la imatge.
	Temes relacionats: Biosensors d'ADN amb nanotubs de carboni Enllaços externs: Instituto de Química Avanzada de Cataluña (IQAC-CSIC) (1) Assembly of Two-Dimensional DNA Crystals carrying N4-[2-(tert-Butyldisulfanyl)ethyl]cytosine Residues, Helvetica Chimica Acta (2) Placement and orientation of individual DNA shapes on lithographically patterned surfaces Ryan J. Kershner et al., Nature Nanotechnology 4, 557 - 561 (2009)

Com es pot crear un material a l'escala de àngstroms o nanòmetres? Aquest és un dels grans reptes de les nanotecnologies, en la qual es plantegen dispositius tant minúsculs que no són viables ni les eines ni els plantejaments convencionals.

Una de les respostes es troba a les molècules que s' autoensamblen per formar estructures amb un patró regular. D'aquestes molècules, l'ADN és una de les opcions més prometedores, ja que té una remarcable capacitat per autoorganitzar-se a partir de la combinació dels seus quatre nucleòtids, que es complementen i organitzen en parells de bases amb unions no covalents. Això permet formar estructures de complexitat creixent d'una, dues o tres dimensions.

Aquestes estructures poden usar-se com a plantilles per a col·locar proteïnes, nanopartícules, metalls, nanocables, o qualsevol altra molècula funcional seguint un patró predeterminat. L'ADN té altres avantatges: la seva rigidesa (a nivell nanomètric), les mides extraordinàriament petites i una possibilitat de combinacions gairebé infinita.

El grup de química d'Àcids Nucleics de l'Institut de Química Avançada de Catalunya del CSIC, a Barcelona, treballa en la formació de cristalls d'ADN amb la idea d'utilitzar-los com a plantilles o suport per a altres molècules. El grup, dirigit per Ramón Eritja, treballa actualment integrat en els laboratoris de l'Institut de Recerca Biomèdica (IRB) de Barcelona.

Aquest grup està especialitzat en la síntesi d'oligonucleòtids, petits segments d'ADN, destinats a diferents aplicacions biotecnològiques, especialment biosensors. En la construcció de cristalls d'ADN, també parteixen d'oligonucleòtids sintetitzats per ells mateixos. La idea, aclareix Ramon Eritja, és sintetitzar un conjunt d'oligonucleòtids que s'autoensamblen com 'teules' o peces de lego.

En aquest cas, les 'teules' són de dos tipus, A i B, i cada un dels tipus està format per cinc segments d'ADN: quatre d'ells formen dues dobles hèlixs d'ADN i el cinquè les enllaça (veure imatge).

Les 'teules' del tipus A només pot enganxar-se en els seus extrems amb les del tipus B i, a més, d'una forma molt concreta. El resultat és una superfície en la qual les 'teules' A i B es van alternant per formar una superfície regular (veure gràfic) gràcies a que les interaccions entre ells no són covalents, és a dir, només hi ha una forma possible de que encaixin ( d'aquí la metàfora de les teules encaixades a la teulada).

Si a més, s'afegeix a les teules de tipus B un grup reactiu que actuï com a 'cola d'enganxar' per afegir un element d'interès (una nanopartícula magnètica, per exemple, una proteïna o un anticòs), el resultat és una estructura regular minúscula que pot funcionar com un sensor (si se li ha afegit un anticòs), per gravar informació (si el que té és una nanopartícula magnètica) o per a qualsevol altra aplicació, en funció del component funcional que incorpori.

Aquest grup ha aconseguit crear per primera vegada una estructura d'ADN sobre or, un material que sí permetria afegir connexions elèctriques

Per primera vegada, sobre or

Aquesta és l'explicació gràfica però la forma d'obtenir-ho és força més complexa. Els investigadors sintetitzen els oligonucleòtids, els acoblen (com les peces d'un trencaclosques) i, després, dipositen aquesta solució sobre una superfície de mica, on l'ADN cristal·litza. La mica, aclareix Alejandra V. Garibotti, investigadora del grup, és el material amb l'estructura atòmica més plana coneguda, el que permet obtenir un cristall d'ADN homogeni.

És vital que la superfície sigui plana a nivell atòmic: a escala nanomètrica, una petita rugositat és com una muntanya. Però la mica no és conductora, per la qual cosa no pot incorporar les connexions elèctriques que es requeririen en aplicacions com sensors o dispositius de gravació magnètica. D'aquí l'interès en aconseguir nanoestructures d'ADN sobre materials que sí que siguin conductors, com or, òxid de silici o altres semiconductors.

En un treball publicat el passat setembre (1), aquest grup del CSIC ha aconseguit crear per primera vegada una estructura d'ADN sobre or, un material que sí permetria aquestes connexions. Els resultats, publicats el setembre passat, mostren una estructura regular d'ADN d'uns 300 nanòmetres d'ample que, a més, no només està dipositada sobre l'or sinó que està químicament adherida, el que atorga més robustesa a la nanoestructura.

Com a pas següent, els investigadors es plantegen treballar sobre òxid de silici, un material que obriria la porta a nombroses aplicacions microelectròniques. "S'ha de canviar la superfície per aconseguir-ho" detalla Alejandra V. Garibotti, "perquè la superfície és més rugosa". No obstant això, afegeix, hi ha una bona tecnologia per funcionalitzar la superfície d'òxid de silici i aconseguir adherir les estructures d'ADN.

Cristalls d'ADN en tres dimensions. A dalt, l'esquema dels cristalls amb els diferents segments d'ADN. A sota, imatge dels cristalls ja obtingtus. Font: Ned Seeman.

Octaedre d'ADN en tres dimensions obtingut per l'anomenat mètode ADN Origami. Font: Scripps Research Institute.

Malauradament, explica la investigadora Alejandra Garibotti, és un treball llarg i tediós, del qual només se saben els resultats al cap de molts mesos. Primer s'ha de dissenyar els segments d'ADN que constituiran els "maons" de l'estructura de base. Després segueix el procés de síntesi i de cristalització de l'ADN sobre la superfície i, només al final, s'obtenen les imatges amb microscòpia atòmica, que permeten saber si l'estructura s'ha format correctament. Això vol dir que "per a una estructura simple, es necessiten com a mínim uns 6 mesos per saber si el disseny dels segments d'ADN ha estat correcte, un termini que s'allarga fins a un any o més si es tracta d'un disseny més complex" .

I els dissenys poden arribar a ser molt complexos. Els investigadors del CSIC treballen amb un sistema relativament simple i molt versàtil, que va ser desenvolupat per Ned Seeman, investigador de la Universitat de Nova York, pioner de l'àrea i amb qui va treballar Alejandra V. Garibotti abans d'arribar a aquest centre del CSIC a Barcelona. Però hi ha més formes de crear estructures d'ADN. Potser el més cridaner és l'anomenat Origami de DNA, en què una gran cadena d'ADN es van plegant de manera natural (d'on agafa el nom, l'art tradicional oriental de crear figures plegant paper) gràcies a altres petits segments d'ADN, de manera que s'obtenen dissenys diversos, des de lletres o figures geomètriques fins dibuixos. Però hi ha més: estructures creades no amb ADN sinó amb RNA; estructures geomètriques en 3 dimensions creades amb segments d'ADN, o dispositius nanomecànics, entre molts altres.

Entre les aplicacions futures dels cristalls d'ADN hi ha sistemes de gravació magnètica, biosensors, cèl·lules fotoelèctriques o quits de diagnòstic

Aplicacions de futur

En el seu treball experimental, els investigadors del CSIC estan obtenint cristalls d'ADN de fins a un micròmetre aproximadament, formats entre 50 i 100 mil 'teules' d'ADN. No sembla molt però també cal tenir en compte que aniran destinats a aplicacions que no són molt més grans. Quines mides haurien d'aconseguir-se per començar a pensar en la seva viabilitat? Un bon objectiu, detallen Ramon Eritja i Alejandra Garibotti, "seria que una matriu cobrís una superfície d'1 centímetre quadrat".

Si s'apliquessin, per exemple, en petits dispositius de gravació magnètica, una mida així podria ser suficient. A més, segons l'estructura, es tractaria de dispositius amb una gran densitat d'informació ja que tindrien una nanopartícula magnètica cada 20 o 30 nanòmetres. Aquest tipus d'aplicacions ha despertat un gran interès en les multinacionals de l'electrònica com IBM, que dedica part de la seva investigació a aquests materials (2).

Una altra de les aplicacions que es plantegen són cèl·lules fotoelèctriques per captar energia solar. Es tracta d'una aplicació molt més incerta però juga a favor seu el fet de que permetria una gran eficiència en molt poc espai, ja que tindria una partícula captadora de llum cada poques desenes de nanòmetres.

Altres possibles desenvolupaments estan en l'àrea de la biomedicina. Des de fa uns 20 anys en els laboratoris s'utilitza ADN per impedir el desenvolupament de gens que provoquen malalties. Encara que aquest procés pot ser interessant per generar nous medicaments, només hi ha dos productes derivats de l'ADN que es troben a la farmàcia per al tractament de malalties oculars. Els problemes principals que impedeixen l'obtenció de medicaments fets d'ADN és que aquest es degrada i entra amb dificultat en les cèl lules. Però per exemple, explica Eritja, si s'afegís a l'ADN uns fragments de proteïnes de la membrana cel·lular, que permetessin entrar en unes cèl·lules concretes, es podrien desenvolupar aplicacions farmacèutiques o de diagnòstic. Això podria funcionar, per exemple, per les cèl·lules canceroses, en les que algunes de les proteïnes de la membrana cel·lular estan alterats, i es podria utilitzar aquestes diferències com a marcador per dirigir l'aplicació només a aquestes cèl·lules.

Més proper podria estar el desenvolupament de biosensors basats en anticossos (ELISA) més sensibles, ja que podrien incorporar més unitats d'anticossos en menys espai, i polivalents, ja que se'ls podria incorporar més d'un anticòs o alguna altra partícula funcional.

De fet, aquesta última és un dels grans avantatges de les estructures d'ADN, el poder incorporar dos components funcionals a l'estructura de forma controlada, cada un d'ells enganxat a un tipus de "teula" d'ADN (en el cas de les estructures basades en dos tipus de "teules"). Aquests components podrien ser gairebé qualsevol molècula, ja que l'únic que s'ha de canviar és l'enllaç, que actua com a "cola". Però es podrien crear estructures amb dos, tres, quatre o més tipus de "teules". I, atenent a la diversitat d'estructures d'ADN que poden crear-se, podria crear-se gairebé qualsevol cosa.

M.F.