Los científicos están buscando formas de hacer que estos nanodispositivos programables funcionen de manera estable dentro de las células vivas. Si tienen éxito, revolucionarán la forma en que interactuamos y controlamos a los seres vivos a nivel molecular, con circuitos de desplazamiento de hebras de ADN que se acercan gradualmente a convertirse en máquinas celulares.

La revista Intelligent Computing publicó recientemente un artículo titulado "Del tubo de ensayo a la célula: ¿la regresión de los circuitos computacionales de ADN?" From the Test Tube to the Cell: A Homecoming for DNA Computing?), en el que se describen avances significativos en la introducción de circuitos informáticos de ADN en células vivas. Los autores describen cómo los nanodispositivos dinámicos impulsados por reacciones de desplazamiento de hebras de ADN pueden calcularse, detectarse y controlarse rápidamente en tiempo real dentro de los sistemas biológicos, lo que abre la puerta a una nueva generación de "robots moleculares" que interactúan directamente con el entorno celular.

En el corazón de esta tecnología se encuentra el circuito de desplazamiento de la cadena de ADN, que es un componente clave de la nanotecnología dinámica del ADN. Estos circuitos emplean una técnica de desplazamiento de hebra mediada por un punto de apoyo: una cadena de ADN entrante se une a una región corta y expuesta llamada punto de apoyo, y luego reemplaza la cadena de ADN existente a través de la migración ramificada.

Los sistemas básicos, como las compuertas de balancín y las reacciones en cadena de hibridación, permiten operaciones lógicas complejas y amplificación de señales, mientras que las co-compuertas requieren múltiples entradas para producir salidas, lo que permite un control complejo. Estos componentes individuales se pueden combinar en redes más grandes que simulan vías de reacción químicas formales. La tecnología de reemplazo de hebras de ADN también se puede adjuntar a nanodispositivos estructurales como el origami de ADN y el ensamblaje de ADN, lo que permite cambios de forma controlados y amplía sus aplicaciones biológicas.

A la izquierda, los circuitos de ADN preensamblados in vitro se entregan a las células vivas. A la derecha, el portal anterior de ARN transcribe de forma autónoma a partir de un cromosoma o plásmido y luego se convierte en un circuito de ARN funcional. De cualquier manera, los circuitos funcionales detectan el estado transcripcional y metabólico de la célula y realizan la integración de señales y otros cálculos que, en última instancia, inician una variedad de procesos biológicos, como la regulación génica postranscripcional. Crédito de la imagen: Hyeyun Jung et al.

Según los autores, "las reacciones de reemplazo de hebras de ADN pueden ser desencadenadas por componentes biológicos como ácidos nucleicos, moléculas pequeñas, proteínas e iones. "Los ácidos nucleicos, como el ADN y el ARN, se pueden aplicar al análisis del transcriptoma y al monitoreo de células vivas utilizando diseños de sustratos complementarios como entradas directas. La detección de entrada se puede lograr con aptámeros, que son secuencias de ácido nucleico monocatenario que se unen a un objetivo o ligando con alta afinidad y especificidad.

Para conectar los aptámeros a los módulos de desplazamiento de hebras de ADN, se han desarrollado varios métodos, como los aptámeros de conmutación de estructuras, las zapatas de asociación, las zapatas ocultas, las zapatas remotas, las zapatas transitorias, la ligadura química, las zapatas metálicas y las DNasas para garantizar una transducción precisa de la señal desde los objetivos biológicos hasta los circuitos posteriores.

En la actualidad, el reemplazo de cadenas de ADN se utiliza principalmente in vitro, y su aplicación in vivo enfrenta muchos desafíos, como la rápida degradación de las enzimas que degradan el ADN. Para mejorar la estabilidad, los investigadores exploraron las modificaciones de la estructura de los extremos, como las estructuras de horquilla y los sitios de unión a proteínas, así como modificaciones químicas como la metilación 2'O.

Dado que la mayoría de las células son inherentemente rechazantes del ADN, la administración de estos nanodispositivos a las células requiere técnicas especializadas, como métodos de transfección y protocolos de transformación. Una vez en la célula, los factores celulares como la concentración de sal, el aglomeramiento molecular y el entorno heterogéneo pueden afectar a la reacción de sustitución en cadena. Para superar las limitaciones de la administración directa, los investigadores también están desarrollando nanodispositivos de ARN transcribibles codificados en plásmidos o cromosomas, lo que permite a las células expresar estos circuitos.

El reemplazo de hebras de ADN se ha aplicado a innovaciones en modelos computacionales. Al combinar el principio computacional con la sustitución de hebras de ADN, los algoritmos estructurados de la computación tradicional se pueden combinar con procesos bioquímicos estocásticos y reacciones químicas en sistemas biológicos para lograr modelos computacionales de biocompatibilidad. En el futuro, la tecnología de reemplazo de hebras de ADN puede permitir que las nanomáquinas autónomas de ADN manipulen con precisión los procesos biológicos, lo que supondrá un avance en la investigación de la salud y las ciencias de la vida.

编译自/ScitechDaily