Crean ADN sintético que se puede usar a modo de “ladrillos” para construir materiales inteligentes
Investigadores logran construir materiales inteligentes usando ADN sintético como bloques que se autoensamblan. Un avance que podría cambiar el diseño de dispositivos ópticos, cuánticos y metamateriales.
Fuente: ChatGPT / E. F.
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
Creado: 23.07.2025
Una hoja de papel parece simple, pero si se mira muy de cerca, está formada por fibras entrelazadas que le dan su estructura y propiedades. Ahora imagina que en lugar de fibras, lo que se entrelaza son cadenas de ADN diseñadas con precisión atómica. Eso es, más o menos, lo que ha conseguido un equipo internacional de científicos: usar el ADN como bloques de construcción programables, con los que es posible formar materiales capaces de guiar la luz, dirigir vibraciones e incluso controlar electrones.
Este avance, publicado en Nature Nanotechnology, presenta una nueva clase de estructuras llamadas superredes moiré de ADN, creadas gracias a un método de autoensamblaje molecular guiado por instrucciones codificadas directamente en las propias cadenas de ADN. El estudio, liderado por la investigadora Na Liu, demuestra que estas estructuras no solo pueden fabricarse con gran precisión, sino que también abren la puerta a nuevos materiales con funciones completamente novedosas.
ADN como ladrillos: cómo funciona esta nueva arquitectura molecular
En este trabajo, el equipo de investigadores ha desarrollado un sistema en el que cadenas de ADN actúan como “semillas” que definen la geometría y orientación del material resultante. Estas semillas no son metafóricas: tienen forma, volumen y una estructura helicoidal concreta. A partir de ellas, otras cadenas más pequeñas llamadas SSTs (siglas en inglés de “azulejos de cadena sencilla”) se ensamblan automáticamente siguiendo las instrucciones integradas en la semilla.
Lo destacable del método es su precisión. Según explican los autores, se logró un control del ángulo de torsión entre capas con desviaciones inferiores a 2°. Esto permite formar estructuras bilaminares o trilaminares, en las que cada capa está formada por una red bidimensional de ADN, y cada red está cuidadosamente girada respecto a la anterior. Este giro entre capas es lo que genera el efecto moiré: un patrón repetitivo resultante de la superposición de redes con ligeras diferencias de orientación.
Una cita clave del artículo lo resume así: “demostramos superredes moiré de ADN diseñadas con constantes de subred tan pequeñas como ~2 nm y periodicidades moiré que abarcan decenas de nanómetros”. Esto significa que se ha alcanzado una escala estructural intermedia que hasta ahora no había sido posible construir con este grado de control.
Redes moiré creadas con grafeno, ADN y materiales fotónicos muestran cómo estructuras retorcidas generan patrones repetitivos desde la escala atómica hasta la submicrométrica. Fuente: Nature Nanotechnology
El desafío del ensamblaje a escala nanométrica
Diseñar materiales a escala nanométrica suele implicar técnicas costosas y laboriosas. En el caso de otras superredes moiré, como las que se obtienen al superponer capas de grafeno, se requiere alinear con precisión estructuras atómicas usando herramientas de manipulación mecánica y bajo condiciones de laboratorio extremadamente controladas. En cambio, el sistema basado en ADN tiene una ventaja clave: se autoensambla en solución líquida, sin necesidad de intervención externa.
Esto es posible gracias a la llamada nucleación dirigida, un proceso en el que zonas específicas de la semilla de ADN actúan como puntos de captura para las SSTs. Estas zonas funcionan como ganchos moleculares que “atrapan” las piezas en el lugar exacto. En el paper se describe que “el crecimiento de las subredes SST 2D ocurre en el plano XY, con su auto-registro a lo largo de la semilla origami en posiciones Z designadas”.
El resultado es un crecimiento por capas extremadamente controlado, donde cada subred se posiciona de manera precisa en tres dimensiones. Además, los científicos probaron diferentes diseños para estas “semillas”, ajustando sus formas y segmentos para lograr estructuras con simetrías cuadradas, de tipo kagome y panal, todas ellas con propiedades físicas distintas.
Fuente: ChatGPT / E. F.¿Qué tienen de especial las superredes moiré?
El patrón moiré, que se forma cuando se superponen dos redes similares con un ligero desfase, no es algo nuevo. Es un fenómeno conocido desde hace tiempo y que se puede observar incluso en fenómenos cotidianos, como al mirar a través de dos mallas superpuestas. Pero lo que hace especial a estas superredes moiré de ADN es que se fabrican desde cero, capa a capa, con instrucciones codificadas en las moléculas mismas.
Esto permite explorar configuraciones imposibles de obtener mediante métodos tradicionales. Por ejemplo, el estudio logró estructuras con ángulos de giro programados y simetrías híbridas, como una capa cuadrada sobre una kagome, o una trilamina con combinaciones de subredes distintas. Este tipo de combinaciones genera nuevas propiedades físicas emergentes, entre ellas respuestas ópticas y mecánicas no vistas hasta ahora en materiales sintéticos.
Un caso destacado es la creación de una superred moiré con gradiente, es decir, una estructura donde el ángulo de torsión varía de forma continua a lo largo del material. Este tipo de variación gradual permitiría controlar la trayectoria de la luz o el sonido, y es una de las propuestas más innovadoras del artículo.
Fuente: Nature Nanotechnology
Aplicaciones futuras: de la óptica a la espintrónica
Las posibles aplicaciones de estas estructuras son tan diversas como sorprendentes. Una de las más inmediatas es en el campo de los dispositivos fotónicos, donde el control preciso de la luz es esencial. Las superredes moiré podrían actuar como guías de onda, rejillas de difracción o incluso lentes de diseño personalizado.
Otro campo es el de los materiales metamórficos, es decir, aquellos que cambian sus propiedades mecánicas o acústicas según su diseño interno. Las estructuras creadas con ADN podrían transformarse químicamente en materiales rígidos, dando lugar a cristales fonónicos que modulan la vibración o el paso del sonido.
Pero quizás el uso más prometedor esté en la espintrónica, una disciplina que investiga cómo controlar el espín de los electrones (algo así como su “orientación cuántica”) para desarrollar nuevas tecnologías. Como el ADN puede actuar como filtro de espín, las redes ordenadas construidas en este estudio podrían servir como plataformas para estudiar fenómenos topológicos cuánticos en condiciones programables.
Como afirma textualmente el artículo, “los resultados validan la generalidad de nuestro marco de nucleación dirigido en diferentes simetrías de red”. Esto significa que el método es aplicable a una amplia gama de diseños y usos, lo cual es una gran ventaja para futuras aplicaciones tecnológicas.
El potencial de construir materia desde el nivel molecular
Más allá de sus aplicaciones inmediatas, este trabajo representa un cambio de paradigma en la forma en que se concibe la materia estructurada. Hasta ahora, fabricar un material con propiedades específicas requería partir de sustancias existentes y modificarlas o combinarlas. Con este enfoque, en cambio, se parte de moléculas que no existen en la naturaleza y se organizan para formar estructuras artificiales con propiedades prediseñadas.
Este enfoque podría integrarse con técnicas de microfabricación para posicionar las semillas de ADN en lugares concretos sobre un chip. Así se lograría un control espacial preciso, algo que con otros materiales como semiconductores o metales sigue siendo difícil.
En resumen, lo que se propone es una forma completamente nueva de diseñar materiales funcionales, no desde la escala macro hacia abajo, sino desde la escala molecular hacia arriba. Esto hace que la técnica no solo sea ingeniosa, sino también potencialmente revolucionaria.
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Referencias
Xinxin Jing, Nicolas Kroneberg, Andreas Peil, Benjamin Renz, Longjiang Ding, Tobias Heil, Katharina Hipp, Peter A. van Aken, Hao Yan y Na Liu. DNA moiré superlattices. Nature Nanotechnology, 17 de julio de 2025. DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-025-01976-3.
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