Usos ocultos del ADN
El ADN, además de ser una cimentación de la vida, se ha convertido en un icono de la ciencia actual. Sin embargo, muchos desconocen que el ADN ha empezado a trascender el contexto biológico debido a sus excepcionales propiedades como nanomateriales. En este artículo se analizan las capacidades del ADN y las aplicaciones nanotecnológicas basadas en el ADN.
Ácido desoxirribonucleico, ¡qué nudo de boca! Además de en la boca, la estructura que adopta en nuestras células es compleja, ya que en unos pocos micrómetros cúbicos se introduce un ADN que puede alcanzar una longitud de dos metros. Sin embargo, la imagen que podemos imaginar está lejos del orden que presenta el ADN, ya que se encaja perfectamente en el núcleo de la célula con complejas instrucciones de cuatro letras que forman el ADN (Figura 1).
Según los expertos, la molécula imprescindible para la vida surgió en la naturaleza hace miles de millones de años, y hasta principios del siglo pasado no se identificaron sus cuatro unidades de repetición: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Más tarde, XX. a mediados de siglo se describió la estructura más común del ADN: la doble hélice. Desde entonces, la investigación de los ácidos nucleicos ha tomado la velocidad de la luz y se ha desarrollado hasta que a finales de siglo se ha gestado el campo de investigación de la nanotecnología del ADN. El ADN ya no sólo formaría parte esencial de los seres vivos, sino que se convertiría en material de otras muchas aplicaciones no biológicas[1].
Facultades del ADN
La primera propuesta fue la aplicación del ADN fuera de la naturaleza para formar nanoestructuras. De hecho, el ADN genera enlaces entre sus cadenas de forma muy específica, mediante puentes de hidrógeno: Combinando las letras A con las letras T y las letras G con las letras C. Esto permite diseñar con precisión a nanoescala, como es el caso de la técnica de origami del ADN[2]. Esta técnica, presentada hace una década, y teniendo en cuenta un sencillo programa de ordenador y las conexiones del ADN, se pueden crear las construcciones que se deseen, como se puede apreciar en la figura 2. Sin embargo, el ADN no es un ladrillo simple para crear nanoestructuras, entre sus letras se encuentran otras funciones.
Imagina que quieres construir una casa con el mismo tipo de material, pero para que los grupos de ladrillos que tú quieras realicen una tarea específica como la captura de patógenos del aire. Esto se puede hacer con nanoestructuras generadas por ADN. De hecho, el ADN tiene la capacidad de detectar moléculas o macromoléculas específicamente y podemos diseñar el compuesto deseado. ¿Cómo es posible? Como ya se ha indicado, el ADN sólo tiene cuatro tipos de unidades de repetición: A, G, C y T. Pero cambiando el orden y la longitud de la secuencia de estas letras, podemos obtener combinaciones ilimitadas. Mediante el procedimiento SELEX[3] podemos obtener una secuencia que genere enlaces con la molécula objetivo.
El tipo de ADN con capacidad de detección se denomina aptamero y, además, el ADN tiene una capacidad extra de aceleración de reacciones químicas. Estas últimas se denominan enzimas ADN o ADN catalítico y, al igual que con los aptameros, con el procedimiento SELEX se obtiene la secuencia necesaria para cada condición de reacción. Los aptameros y las enzimas ADN forman parte del grupo de ADN funcional, aumentando considerablemente el valor del ADN como nanomateriales. Sin embargo, el ADN no es un material perfecto, ya que ciertas propiedades necesarias en la naturaleza pueden poner límites al ADN nanotecnológico.
De hecho, el ADN es una molécula cargada, cargada negativamente por grupos de fosfatos, que necesita contraiones para mantener un conformado estable. Por otra parte, el ADN se degrada rápidamente en el medio acuático o en presencia de enzimas en el aire. En el interior de la célula, el ADN se encuentra en un entorno muy controlado, donde la actividad del agua y el contacto con otras moléculas son limitados, aunque cuando se le da alguna otra aplicación, la pérdida de la muestra puede producirse en pocos días o meses. Por otra parte, además del agua, el ADN es estable y funcional en unos pocos disolventes, ya que se sabe que el agua y la vida han estado siempre en estrecha relación con nuestro planeta.
Estas limitaciones pueden superarse parcialmente, pero todavía quedan muchos estudios por desarrollar. Existen dos áreas de investigación para hacer frente a situaciones imprevistas por la naturaleza: Transformación del medio en el que el ADN está disuelto o cambios en la estructura del ADN. En cuanto al primero, trata de reducir la actividad del agua mediante la simulación del medio celular[4] u otros disolventes como líquidos iónicos[5]. Por otra parte, existen en la naturaleza dos tipos de ácidos nucleicos, el ADN y el ácido ribonucleico (ARN). En la década pasada se presentaron los primeros ácidos nucleicos sintéticos[6] para hacer frente a los problemas de solvatación y degradación (Figura 3), si bien el problema de alto coste económico persiste y es más fácil realizar cambios químicos en la molécula de ADN que utilizar un nuevo ácido nucleico.
Uso del ADN fuera del ámbito biológico
En la actualidad, la mayoría de las aplicaciones son de tipo médico, entre las que se encuentran la suma de nanoestructuras y nanopartículas de ADN para el transporte y administración de medicamentos dentro del cuerpo o como marcadores biológicos. Sin embargo, el uso del ADN, aparte de la biología, tiene mucho que ver en otras muchas áreas.
La suma de fuerzas es la causa de la extraordinaria capacidad, y la suma de las propiedades estructurales del ADN y de las capacidades perceptivas y catalíticas da lugar a aplicaciones que no se pueden conseguir con otros materiales como las respuestas de estímulo. Las membranas son materiales porosos que separan dos medios. Dado que el tamaño de los poros de las membranas en los procesos industriales específicos es de unos pocos nanómetros, suele ser muy interesante poder abrir y cerrar los poros a su gusto. Normalmente el cierre de los poros se realiza mediante cambios en todo el entorno: pH, temperatura, presión, etc. Sin embargo, los diseños de ADN permiten utilizar un agente local para controlar la permeabilidad de los poros. Más concretamente, en los poros se pueden colocar nanoestructuras formadas por aptameros para cerrar y abrir el poro con una molécula específica, ya que la conformación del ADN cambia al detectar la molécula[7] (imagen superficial).
Las enzimas ADN, como ya se ha mencionado, aceleran las reacciones químicas y, además, provocan la quiralidad para lograr la llamada catálisis asimétrica. Este tipo de catálisis es muy importante y tiene una gran demanda en el mercado, ya que muchos compuestos químicos son enantiómeros. En un par de enantiómeros de una molécula, uno sería la imagen espejo de otro y no se podrían solapar (como ocurre con nuestras dos manos). La cuestión es que una de las imágenes que hay en el espejo suele tener aplicaciones muy interesantes y la otra no, por lo que es mucho más apropiado sintetizar directamente sólo uno de los enantiómeros que tener que separarlos posteriormente. Hace muchos años sabemos que la naturaleza utiliza proteínas para conseguir una catálisis asimétrica y, en la década pasada, el equipo del premio Nobel Feringa realizó el siguiente descubrimiento: El ADN también se puede utilizar para esta tarea gracias al enrollado de su doble hélice[8].
Al alejarse del campo de la química y la bioquímica, la investigación con ADN funcional va disminuyendo, pero hay un gran interés en la creación de nanoestructuras y en el uso de ADN para almacenar información. Nuestra información personal se almacena en discos duros con chips de sílice o cintas magnéticas. La cantidad de datos que se pueden almacenar en un determinado tamaño ha aumentado considerablemente en los últimos años, acercándose a un límite en el que físicamente no será posible incrementar esa compactación. El ADN, por su parte, es un material mucho más denso en cuanto a almacenamiento de datos: en un gramo se podrían introducir alrededor de dos petabytes, es decir, en unos pocos gramos tendríamos todos los contenidos disponibles en Internet. Y, en cualquier caso, de la teoría a la práctica hay una gran labor. En la actualidad, las empresas Microsoft y Food son las que más inversiones están realizando en esta aplicación, y aunque de momento sólo se han dado los primeros pasos, ya han presentado su primer disco duro de ADN[9] (Figura 4).
Gracias a la investigación multidisciplinar, todavía hay puertas abiertas para desarrollar aplicaciones de ADN, construir nanoestructuras más robustas y sacar más partido a las capacidades de los aptameros o de las enzimas ADN. Para evitar que los nudos de los ácidos nucleicos se conviertan en vello en la boca, hay que seguir investigando, ya que este material necesario para la vida tiene mucho que decir fuera de las células y está en nuestras manos soltar los nudos y profitar las opciones.
Bibliografía
[1] Seeman, N. C. & Sleiman, H. F. (2017). DNA nanotechnology. Nature Reviews Materials, 3. DOI: 10.1038/natrevmats.2017.68
[2] Rothemund, P. W. C. (2006). Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature, 440(7082). DOI: 10.1038/nature04586
[3] Wang, T. & Veedu, R. N. (2019). Tecnologías disponibles: Lessons learned, progress and opportunities on aptamer development. Biotechnology Advances, 37, 28–50. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2018.11.001
[4] Nakano, S., Miyoshi, D., & Sugimoto, N. (2014). Estructura Molecular Crowding on the Structures, Interactions, and Functions of Nucleic Acids. Chem. Rev., 114, 2733–2758. DOI: 10.1021/cr400113m
[5] Olave, B., & Schäfer, T. (2018). CHAPTER 17 Functional DNA in Ionic Liquids. En Ionic Liquid Devices (pp. 423–444). The Royal Society of Chemistry. DOI: 10.1039/9781788011839-00423
[6] Holliger, P. et. al (2019). A synthetic genetic polymer with an uncharged backbone chemistry based on alkyl phosphonate nucleic acids. Nature Chemistry. DOI: 10.1038/s41557-019-0255-4
[7] Schafer, T., & Ozalp, V. C. (2015). dna-aptamer gating membranes. Chemical Communications, 51(25), 5471–5474. DOI: 10.1039/C4cc09660f
[8] Fering, B. L. et al. (2010). Catalytic enantioselective syn hydration of enones in water using a dna-based catalyst. Nature Chemistry, 2(11), 991–995. DOI: 10.1038/nchem.819
[9] https://youtu.be/tBvd7OSDGgQ , https://www.youtube.com/watch?v=60Gi5lqL-dA
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