"Una de nuestras grandes innovaciones, más allá de lograr que los motores de ADN realicen cálculos lógicos, es encontrar una manera de convertir esa información en una señal de salida simple: movimiento o ningún movimiento", dice Selma Piranej, un candidato a doctorado de la Universidad Emory en Química,y primer autor del periódico."Esta señal puede ser leída por cualquier persona que sostenga un teléfono celular equipado con un accesorio de aumento económico."
"El avance de Selma elimina los obstáculos principales que se interpusieron en el camino de hacer que las computadoras de ADN sean útiles y prácticas para una variedad de aplicaciones biomédicas", dice Khalid Salaita, autor principal del documento y profesor de química de Emory en la Universidad Emory.Salaita también está en la facultad de Wallace H.Departamento de Ingeniería Biomédica de Coulter, un programa conjunto de Georgia Tech y Emory.
Los motores pueden detectar información química en su entorno, procesar esa información y luego responder en consecuencia, imitar algunas propiedades básicas de las células vivas.
"Las computadoras de ADN anteriores no habían dirigido el movimiento incorporado", dice Salaita."Pero para obtener operaciones más sofisticadas, debe combinar tanto el cálculo como el movimiento dirigido.Nuestras computadoras de ADN son esencialmente robots autónomos con capacidades de detección que determinan si se mueven o no."
Los motores se pueden programar para responder a una secuencia específica de patógenos o ADN, lo que los convierte en una tecnología potencial para pruebas médicas y diagnósticos.
advertisementOtro avance clave es que cada motor puede operar de forma independiente, bajo diferentes programas, mientras se implementa como un grupo.Eso abre la puerta a una sola matriz masiva de los motores del tamaño de micron para llevar a cabo una variedad de tareas y realizar la comunicación motoras a motores.
"La capacidad de los motores de ADN para comunicarse entre sí es un paso para producir el tipo de acción compleja y colectiva generada por enjambres de hormigas o bacterias", dice Salaita."Incluso podría conducir a propiedades emergentes."
La nanotecnología de ADN aprovecha la afinidad natural por las bases de ADN A, G, C y T para emparejarse entre sí.Al moverse alrededor de la secuencia de letras en hilos sintéticos de ADN, los científicos pueden hacer que los hilos se unan de manera que creen diferentes formas e incluso construyan máquinas funcionales.
El Laboratorio Salaita, líder en biofísica y nanotecnología, desarrolló el primer motor de ADN en 2015 en 2015.El dispositivo fue 1,000 veces más rápido que cualquier otro motor sintético, acelerando rápidamente el campo floreciente de la robótica molecular.Su alta velocidad permite que un microscopio de teléfono inteligente simple capture su movimiento a través del video.
El "chasis" del motor es una esfera de vidrio del tamaño de un micrón.Se permiten que cientos de hilos de ADN o "piernas" se unan a la esfera.Estas patas de ADN se colocan sobre un portaobjetos de vidrio recubierto con el ARN reactivo, el combustible del motor.Las patas de ADN se sienten atraídas por el ARN, pero tan pronto como lo ponen en pie, lo borran a través de la actividad de una enzima que está vinculada al ADN y destruye solo ARN.A medida que las piernas se unen y luego se liberan del sustrato, siguen guiando la esfera a lo largo.
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Cuando Piranej se unió al Laboratorio de Salaita en 2018, comenzó a trabajar en un proyecto para llevar a los Rolling Motors al siguiente nivel construyendo en la lógica de programación de computadoras.
"Es un objetivo importante en el campo biomédico aprovechar el ADN para el cálculo", dice Piranej."Me encanta la idea de usar algo innato en todos nosotros para diseñar nuevas formas de tecnología."
El ADN es como un chip de computadora biológico, almacenando grandes cantidades de información.Las unidades básicas de operación para el cálculo de ADN son hebras cortas de ADN sintético.Los investigadores pueden cambiar el "programa" del ADN ajustando las secuencias de AGTC en los hilos.
"A diferencia de un chip de silicio duro, las computadoras y los motores a base de ADN pueden funcionar en agua y otros entornos líquidos", dice Salaita."Y uno de los grandes desafíos para fabricar chips de computadora de silicio es tratar de empacar más datos en una huella cada vez más pequeña.El ADN ofrece el potencial de ejecutar muchas operaciones de procesamiento en paralelo en un espacio muy pequeño.La densidad de las operaciones que podría ejecutar podría incluso ir al infinito."
El ADN sintético también es biocompatible y barato de hacer."Puedes replicar el ADN usando enzimas, copiarlo y pegarlo tantas veces como quieras", dice Salaita."Es prácticamente gratis."
Sin embargo, las limitaciones permanecen en el campo naciente del cálculo de ADN.Un obstáculo clave es hacer que la salida de los cálculos sea fácilmente legible.Las técnicas actuales dependen en gran medida del etiquetado de ADN con moléculas fluorescentes y luego miden la intensidad de la luz emitida a diferentes longitudes de onda.Este proceso requiere un equipo costoso y engorrosos.También limita las señales que se pueden leer a las presentes en el espectro electromagnético.
Aunque entrenado como químico, Piranej comenzó a aprender los conceptos básicos de la informática y sumergirse en la literatura de bioingeniería para tratar de superar este obstáculo.Se le ocurrió la idea de usar una reacción bien conocida en la bioingeniería para realizar el cálculo y combinarlo con el movimiento de los motores rodantes..
La reacción, conocida como desplazamiento de la cadena mediado por los pies, ocurre en el ADN dúplex: dos hilos complementarios.Los hilos se abrazan bien, excepto por un extremo suelto y flexible de un hilo, conocido como la bodega del dedo del pie.El motor rodante se puede programar recubriéndolo con ADN dúplex que es complementario a un objetivo de ADN: una secuencia de interés.
Cuando el motor molecular se encuentra con el objetivo de ADN a medida que gira a lo largo de su pista de ARN, el objetivo de ADN se une a la bodega del dedo del duplicar el ADN dúplex, lo desarma y ancla el motor en su lugar.La computadora que se lee se convierte en simplemente "movimiento" o "sin movimiento."
"Cuando vi por primera vez este concepto funcionando durante un experimento, hice este sonido realmente fuerte y emocionado", recuerda Piranej."Uno de mis colegas vino y preguntó: '¿Estás bien?'Nada se compara con ver tu idea cobrar vida así.Ese es un gran momento."
Estas dos puertas lógicas básicas de "movimiento" o "sin movimiento" se pueden unir para construir operaciones más complicadas, imitando cómo los programas de computadora regulares se basan en las puertas lógicas de "cero" o "una."
Piranej llevó el proyecto aún más lejos al encontrar una manera de empacar muchas operaciones de computadora diferentes y aún leer fácilmente la salida.Simplemente varió el tamaño y los materiales de las esferas microscópicas que forman el chasis para los Rolling Motors basados en ADN.Por ejemplo, las esferas pueden variar de tres a cinco micras de diámetro y estar hechas de sílice o poliestireno.Cada alteración proporciona propiedades ópticas ligeramente diferentes que se pueden distinguir a través de un microscopio de teléfono celular.
El Laboratorio de Salaita está trabajando para establecer una colaboración con los científicos en el Centro de Microsistemas de Microsistemas diseñados en Tecnologías de Punta de Cuidados, un centro financiado por NIH establecido por Emory y Georgia Tech.Están explorando el potencial para el uso de la tecnología que computa el ADN para el diagnóstico doméstico de Covid-19 y otros biomarcadores de enfermedades.
"El desarrollo de dispositivos para aplicaciones biomédicas es especialmente gratificante porque es una oportunidad para tener un gran impacto en la vida de las personas", dice Piranej."Los desafíos de este proyecto lo han hecho más divertido para mí", agrega.
