Matemáticas para construir nanomateriales con moléculas de ADN inspiradas en el origami
Un equipo de físicos de la Universidad de Roma La Sapienza desarrolló un método para construir estructuras complejas ensamblando moléculas. Se utilizará, en el futuro, para computadoras cuánticas y otros dispositivos fotónicos y nanoelectrónicos.
Paul Rothemund, físico del Instituto Tecnológico de California, fue quien propuso originalmente un sistema de “plegado” del ADN inspirado en el origami japonés.CRAFTSCI/SCIENCE PHOTO LIBRARY/GETTY IMAGES
Una colaboración internacional de científicos, entre los que se encuentra un grupo de investigadores del Laboratorio de Materia Blanda del Departamento de Física de la Universidad de Roma La Sapienza (Italia), logró desarrollar un nuevo método matemático que permite crear estructuras complejas de ADN ensamblando moléculas como si fueran ladrillos de construcción. Y un grupo de colegas de la Universidad Estatal de Arizona (y de otros institutos) validaron experimentalmente el método, siguiendo las reglas matemáticas para construir algunas de estas estructuras en el laboratorio.
La investigación, cuyos resultados se publicaron recientemente en la prestigiosa revista Science, sienta las bases para el diseño de nuevos nanomateriales con propiedades ópticas muy interesantes, que algún día podrán utilizarse para perfeccionar componentes destinados a las computadoras cuánticas y otros dispositivos fotónicos y nanoelectrónicos.
En Boston, Ámsterdam y Hefei se han llevado a cabo tres experimentos independientes para probar la transmisión de información entre computadoras cuánticas a kilómetros de distancia.
Origami de ADN
La idea de utilizar el ADN como “ladrillo” de construcción no es nueva: lo que hace que esta molécula sea tan interesante y versátil es la especificidad de las interacciones entre las bases nitrogenadas que la componen, es decir, el hecho de que cada una de las cuatro se una exclusivamente a otra: la adenina a la timina y la guanina a la citosina, y viceversa.
El verdadero avance se produjo en 2006, cuando Paul Rothemund, físico del Instituto Tecnológico de California, propuso un sistema de “plegado” del ADN inspirado en el origami japonés. Básicamente, los fragmentos de la molécula se pliegan sobre sí mismos para acercar regiones inicialmente distantes y posteriormente se “cosen” mediante una especie de clip, también de ADN. La técnica, que recibe el nombre de origami de ADN, pareció inmediatamente muy prometedora y ya ha encontrado varias aplicaciones, sobre todo en el campo del tratamiento farmacológico, pero aún tiene algunas limitaciones: es difícil reproducir el proceso en grandes cantidades y fabricar formas especialmente complejas, lo que, en cambio, es un objetivo esencial si se quiere emplear estas estructuras a mayor escala.
¿Verdadero o falso?
Es en este punto de la historia en el que encaja el trabajo que acaba de publicarse: los autores del estudio han conseguido, de hecho, desarrollar un sistema para que la construcción de estas estructuras sea más eficaz, precisa y escalable, controlando (y evitando) todos los posibles “errores” durante el ensamblaje.
“El principal problema que surge cuando se intenta aumentar el tamaño de las estructuras basadas en el ADN”, explica Lorenzo Rovigatti, coautor del trabajo, “son las llamadas trampas cinéticas. Es como si las piezas de las moléculas, al plegarse, quedaran ‘atascadas’ en una determinada configuración, lo que les impide ensamblarse en la estructura que nos gustaría tener en su lugar”.
Para superar este problema, los científicos “trajeron” la forma en que se ensamblan las moléculas a un sistema de reglas, concretamente cláusulas o condiciones booleanas; de hecho, la herramienta se denomina satisfacibilidad booleana, o SAT, que representan matemáticamente las formas y restricciones de construir estructuras, y después desarrollaron un algoritmo para satisfacer estas condiciones.
Rovigatti explica que “nuestro algoritmo nos permite simular el proceso de autoensamblaje. La ventaja de utilizar la SAT es que, además de obtener una solución que monte la estructura ordenada deseada, también nos permite perfeccionar la solución de modo que se desfavorezca cualquier estructura que compita con la estructura objetivo. En este trabajo, aplicamos esta técnica sofisticada de diseño en la computadora y luego obtener en el laboratorio un material cristalino que nunca antes se había ensamblado, demostrando claramente el potencial de nuestro método, que hemos bautizado como ‘ensamblaje-SAT’”.
Básicamente, con este método iterativo, los investigadores demostraron que, insertando nuevas cláusulas o condiciones, es posible evitar que las moléculas se “atasquen” durante el proceso de ensamblaje, y obtener así la configuración deseada. De este modo, en colaboración con el equipo experimental de la Universidad Estatal de Arizona, fue posible conformar un cristal coloidal que no existe en la naturaleza, el pirocloro, que hasta ahora se consideraba imposible de obtener experimentalmente.
Nuevas propiedades, nuevos materiales
La técnica aún es perfectible: los científicos planean mejorar el método para conseguir estructuras aún mayores, del tamaño de cientos de nanómetros. En ese momento, también será posible pensar en sus aplicaciones: “Estos cristales, y en particular los ‘huecos’ que hay en su interior”, destaca Rovigatti, “poseen propiedades ópticas muy interesantes: cuando la luz los atraviesa, retienen algunas frecuencias y dejan pasar otras. Con estas estructuras se podría diseñar nuevos nanomateriales capaces de “manipular” la luz con extrema precisión, lo que resultaría muy útil, por ejemplo, en los campos de la fotónica y la nanoelectrónica”.
Artículo publicado originalmente en WIRED Italia. Adaptado por Andrei Osornio.
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