thumb|La nanotecnología de ADN consta del diseño y creación artificial de nanoestructuras a partir de ácidos nucléicos. Un ejemplo puede ser este tetraedro construido a partir de ADN. Cada esquina del tetraedro está formada por 20 pares de bases de ADN de cadena doble y cada vértice es una unión de tres brazos. Las 4 hebras de ADN que forman las 4 caras del tetraedro se presentan con códigos de colores.
La nanotecnología de ADN involucra el diseño y la construcción artificial de estructuras a partir de ácidos nucleicos con el propósito de usos tecnológicos. En la nanotecnología de ADN, los ácidos nucleeicos 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.
El concepto de "nanotecnología de ADN" fue acuñado por primera vez a principios de 1980 por Nadrian Seeman y no 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 nucleicos 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 desplazamiento en las cadenas). A pesar de que el nombre de esta ciencia hace referencia específicamente al uso del ADN como material de construcción, se ha usado también el ARN como material de construcción por lo que otro nombre alternativo que se le da es el de nanotecnología de ácidos nucléicos.
Conceptos Fundamentales thumb|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. Vea esta imagen para un modelo más realista de una unión de 4 brazos en tercera dimensión.
thumb|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.Overview:
Propiedades de los Ácidos Nucleicos 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 particular es inducida por las propiedades físicas y químicas de los materiales de construcción que los investigadores/diseñadores seleccionan.Background: En el caso de la nanotecnología de ADN, los materiales de construcción son cadenas de ácidos nucleicos, como lo es el ADN. Estas cadenas son casi siempre sintéticas y se utilizan casi siempre fuera del contexto 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 nucleico 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 nucleicos 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. Overview:
La estructura de una molécula de ácido nucleico consiste en una secuencia de nucleótidos que puede ser distinguida según las bases nitrogenadas que contenga. En el ADN, pueden presentarse cuatro bases que son: adenina (A), timina (T), guanina (G) y citocina (C). Los ácidos nucleicos tienen la propiedad de que solamente dos moléculas 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.Background: Ya que el correcto apareamiento entre las bases es energéticamente favorable (termodinámicamente favorable), las cadenas de ácidos nucleicos 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 estas 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.RNA nanotechnology: RNA nanotechnology: 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).Dynamic DNA nanotechnology:
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 nucleicos 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.Dynamic DNA nanotechnology:
Los complejos que se construyen en el campo de la nanotecnología estructural de ADN usan ácidos nucleicos 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 que el punto de ligación o cruce pueda ser programado en una cierta posición.
Varias uniones se pueden combinar en el mismo complejo. Tal es el caso de los motivos estructurales de doble cruce DX, los cuales contienen dos dominios helicoidales con hebras paralelas individuales que cruzan entre los dominios en dos puntos. Cada punto es en sí mismo una 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.
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 nucleicos se puedan reconfigurar en respuesta a la adición de una nueva cadena de ácidos nucleicos. En este proceso, una hebra creciente de ácidos nucleicos se une a los extremos pegajosos (también conocidos como extremos adhesivos) de una cadena doble preexistente 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. 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. Algorithmic self-assembly:
Nanotecnología estructural de ADN La nanotecnología estructural de ADN (muchas veces abreviada en inglés como SDN), se enfoca en sintetizar y caracterizar complejos de ácidos nucleicos y materiales donde el ensamblaje se realiza en un equilibrio estático. La doble cadena de ácidos nucleicos 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.Structural DNA nanotechnology:
Entramados de ADN
thumb|350px|Izquierda, un modelo de "azulejos" de ADN utilizado para construir una red de celosías bidimensional. Derecha, arreglo de celosías visto desde un microscopio electrónico.otros arreglos DX arrays:
Los complejos de ácidos nucleicos 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). El ejemplo más reciente de este tipo de complejos es aquel en 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. DX arrays: DX arrays: Arreglos en dos dimensiones han sido construidos a partir de otros motivos también, incluyendo el arreglo "Holliday",Other arrays: y otros arreglos basados en el motivo DX que hacen uso de esquemas de doble cohesión scheme.Other arrays: Other arrays: Las dos imágenes superiores muestran ejemplos de entramados basados en azulejos de motivos.