Un nanobot recorre el ADN controlado por luz.

Un nanorobot es capaz de moverse autónomamente controlando sólo con luz el inicio y el fin del movimiento y su velocidad. El nanobot, que es una molécula que comparte diseño estructural con una enzima del ADN a la que se han incorporado partes fotosensibles, se desplaza por una molécula de ADN basándose en la fotolisis de los enlaces disulfuro asistida por pireno, mostrando la libertad operacional y velocidad mecánica de los motores proteicos. El equipo de investigadores encabezado por Mingxu You, de la Universidad de Florida en Gainsville (EE.UU.), publica sus resultados en Angewandte Chemie [1]. Las aplicaciones podrían abarcar desde el transporte de moléculas bioactivas, hasta la síntesis de nanomateriales, pasando por el control de procesos biológicos.

El disulfuro -S-S- [quizás es más apropiado el nombre persulfuro, igual que -O-O- es peróxido, pero disulfuro es el nombre que ha quedado] es un enlace covalente fuerte, con una energía de disociación de 60 kcal/mol. Sin embargo, una cadena es tan fuerte como el más débil de sus eslabones y el disulfuro es más débil que los enlaces C-C y C-H, por lo que suele ser el enlace débil en las moléculas orgánicas en las que participa. Si a esto añadimos que el sulfuro divalente es fácilmente polarizable por agentes polares, tenemos un factor más para que sea el lugar preferente para las roturas de las moléculas que lo contienen.

En 2010 otro equipo del mismo laboratorio también encabezado por You publicó [2] el descubrimiento de que los enlaces disulfuros asociados a pireno (un hidrocarburo aromático policíclico, de esos que se obtienen por mala combustión y que se detectan en las nubes interestelares) podían ser rotos por la luz. Ésta afecta a la distribución electrónica de los electrones deslocalizados del pireno haciéndolo polar, cediendo un electrón a un azufre (S) y rompiendo el disulfuro. Esta es la base del motor del nuevo “vehículo” molecular.

Hasta ahora los vehículos moleculares sintéticos de ADN han obtenido su energía de reacciones químicas, con las limitaciones que esto conlleva. La luz ofrece la posibilidad de un nivel de control mucho mayor, permitiendo que estas nanomáquinas se puedan activar y parar a voluntad de forma remota con precisión espaciotemporal. La fotolisis de los enlaces disulfuro permite convertir, pues, la luz en movimiento controlado.

El nanobot caminante (walker) de You et al. consiste en dos patas, una larga y una corta, conectadas por un grupo pireno. El caminante se mueve por una “pista” de ADN en la que sobresalen mástiles de ADN a intervalos regulares de 7 nm; cada mástil tiene dos secciones, una corta y una larga, unidas por un enlace disulfuro.

El caminante comienza su camino enlazándose al primer mástil: la pata larga a la sección larga y la pata corta con la sección corta. Cuando la luz incide sobre la molécula, el pireno se “activa” y rompe el enlace disulfuro del mástil, haciendo que la sección corta se separe y se pierda. La pata corta del caminante busca otro sitio donde enlazarse, encontrándolo en el siguiente mástil y arrastrando consigo la pata larga.

Este proceso se repite conforme el caminante va avanzando por la pista, siempre obligado a moverse hacia delante porque las secciones cortas de atrás se van perdiendo y sólo encuentra capacidad de enlazar en las secciones cortas de los mástiles siguientes. Aparte de la dirección los investigadores pueden también controlar el movimiento del caminante regulando la intensidad de luz, cuanto mayor es ésta mayor es la velocidad, y sin luz el caminante se detiene.

Si bien teóricamente el proceso puede repetirse con una pista arbitrariamente larga, el hecho cierto es que este caminante sólo ha andado 21nm, la distancia entre cuatro mástiles. Lo siguiente será hacer caminantes más rápidos y que cambien de dirección.


Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XII Edición del Carnaval de la Química que organiza Historias con mucha química (como todas). 

Referencias:

[1] You, M., Chen, Y., Zhang, X., Liu, H., Wang, R., Wang, K., Williams, K., & Tan, W. (2012). An Autonomous and Controllable Light-Driven DNA Walking Device Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.201108871

[2] You, M., Zhu, Z., Liu, H., Gulbakan, B., Han, D., Wang, R., Williams, K., & Tan, W. (2010). Pyrene-Assisted Efficient Photolysis of Disulfide Bonds in DNA-Based Molecular Engineering ACS Applied Materials & Interfaces, 2 (12), 3601-3605 DOI: 10.1021/am1007886