Revista Ciencia y Desarrollo

Gran variedad de objetos geométricos y nanoestructuras periódicas se han construido usando cadenas cortas de ADN como bloques de edificación. Éstos se pueden emplear como mediadores para erigir andamios o soportes; uno de ellos: el origami de ADN.

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Creo que todos aquellos que escogimos la ciencia como nuestra profesión tuvimos como disparador vocacional, al menos, un evento en nuestras vidas que nos dejó una profunda y grata impresión. Recuerdo que, siendo un niño, cuando vi por primera vez a ese viejecillo, de cuyas ágiles manos salían objetos maravillosos, mediante el simple hecho de cortar y doblar hojas de papel multicolores. Como por arte de magia, brotaban pájaros, flores y un sinnúmero de objetos más que, después supe, eran llamadas papirolas.

Con esfuerzo y dedicación aprendí, con su ejemplo, a hacer mis propias papirolas; era tal mi gusto y entusiasmo, que mis padres me compraron un libro sobre el tema. Este suceso indujo, siquiera en esa ocasión, mi gusto por las matemáticas, ya que no sólo podía hacer esos tediosos poliedros regulares que nos dejaban de tarea en la primaria, sino que elaboraba casi cualquier cosa que mi mente imaginara.

Aquellos juguetes de mi niñez como balero, trompo, papalotes y papirolas han ido desapareciendo con el paso del tiempo y con ellos, desgraciadamente, también las destrezas inherentes a su manejo. Estos juguetes han sido reemplazados recientemente por todo tipo de artefactos electrónicos y videojuegos. Aclaro que de ninguna manera estoy en contra del avance tecnológico tan característico de nuestra época, sólo evoco con nostalgia la forma en que estos juguetes nos estimulaban la capacidad de improvisación y la imaginación, tan comunes en nuestra generación, ya que nos ayudaron a desarrollar, entre otras cosas, habilidades manuales y trabajo en equipo. De hecho, ya como adulto he tenido la satisfacción de ser testigo de grandes avances tecnológicos inimaginables en mi infancia. En fin, el objetivo de este artículo es entrelazar dos temas que aparentemente nada tienen en común: las papirolas y la tecnología moderna.

La tecnología cambia a gran velocidad, pero en el caso particular de la electrónica moderna, el ritmo ha sido vertiginoso. Desde los primeros días de la era digital, un gran esfuerzo ha sido dedicado a lograr la miniaturización de componentes y circuitos integrados.¹ En consecuencia, los procesadores se han vuelto más rápidos y eficientes, al aumentar la densidad de dispositivos contenidos en ellos. En las últimas décadas, el desarrollo sostenido, orientado a la tecnología de circuitos integrados para procesadores y sistemas de almacenamiento digitales, ha revolucionado la industria de las computadoras y aparatos electrodomésticos, así como de gadgets pequeños y ubicuos (i-pads, i-pods, celulares, etc.). La industria electrónica está constantemente buscando esquemas alternos para la producción de dispositivos diminutos.

Sin lugar a dudas, los nuevos equipos electrónicos requieren que el tamaño de los componentes sea, ya no de escala micrométrica (1 micra = 10-6 m), sino nanométrica (1 nanómetro = 10-9 m), que es el tamaño de las moléculas. Desafortunadamente, los métodos tradicionales de fabricación en la industria electrónica, actualmente, enfrentan retos tecnológicos y científicos crecientes para manufacturar componentes con tamaños menores a 100 nm.¹ Dos de estos retos son: el límite en el tamaño de los nanocomponentes –impuesto por leyes básicas de óptica– y la disipación del calor generado. El primero está relacionado con el hecho de que se está alcanzando el límite físico de una ulterior miniaturización de los componentes por el método tradicional de manufactura (fotolitografía), y el segundo surge debido a que cada componente sigue el efecto Joule.^* Una alternativa para superar tales dificultades es utilizar objetos de tamaño atómico y/o molecular alcancapaces de acoplarse como bloques de construcción que se reconozcan y autoensamblen con exactitud nanométrica. ¿Y por qué plantear este modelo?, pues simplemente, debido a la semejanza de esta técnica con la manera en que la Naturaleza, exitosamente, ha creado los organismos vivos a partir del ácido desoxirribonucleico o ADN.

Una gran variedad de objetos geométricos y nanoestructuras periódicas se han construido exitosamente usando cadenas cortas de ADN como bloques de edificación.

ORIGAMI DE ADN

Desde el descubrimiento, en 1953, de la estructura del ADN de cadena doble, en forma de doble-hélice, nuestra sociedad la ha convertido en un ícono. El ADN es un biopolímero lineal que consta de un armazón compuesto por azúcares y fosfatos, de tal manera que una cadena sencilla está formada por este armazón y una de cuatro bases nucleotídicas (A, T, C o G) ligadas a los azúcares. Las bases nucleotídicas son complementarias y se aparean mediante enlaces puente de hidrógeno; así resulta que A solamente se liga con T, y C con G. Entonces, las cadenas sencillas se unen entre sí para constituir una doblehélice con diámetro de 2 nm y una distancia de 0.34 nm entre bases consecutivas. Este descubrimiento, indudablemente, ha impactado en Genética y Biología molecular; sin embargo, existe un gran potencial en el uso del ADN como material genérico y no sólo como material genético. Es decir, este biopolímero es ideal para diseñar y elaborar nanomateriales.

El uso del ADN es un prometedor material de construcción a escala nanométrica, debido a sus extraordinarias propiedades de autoensamblaje y reconocimiento molecular, lo cual fue predicho por Nadrian Seeman, en 1980.² Una gran variedad de objetos geométricos y nanoestructuras periódicas se han construido exitosamente usando cadenas cortas de ADN como bloques de edificación. Éstos, a su vez, se pueden emplear como mediadores para erigir andamios o soportes; uno de los cuales es el origami de ADN.

Origami –conocido en México como papirolas– es el arte japonés de doblar hojas de papel para dar forma a una estructura u objeto específico prediseñado. El concepto de origami de ADN es precisamente en ese contexto: una estructura bidimensional a escala nanométrica, en la que el ADN desempeña el mismo rol que la celulosa –que es la base del papel con el que se forman las papirolas tradicionales–; es decir, la materia prima. Esta metodología fue ideada, desarrollada y probada por Paul Rothemund en 2006 y, desde entonces, se ha buscado su aplicación como ensamble inteligente;³ definido éste como el que posee reconocimiento molecular para usarse como mediador, con el fin de organizar y colocar material inorgánico con gran exactitud. A su vez, el reconocimiento molecular se refiere a la interacción no-covalente entre dos o más moléculas.

El origami de ADN se sintetiza en una solución, usando el genoma del virus bacteriófago denominado M13mp18, que consta de una sola cadena sencilla de ADN constituida por 7,249 bases nucleotídicas, semejante a una tira de papel en forma de anillo. Ésta se dobla y pega de una manera precisa y programada por medio de más de 200 grapas –bases complementarias a las del genoma del M13mp18–, para dar forma a una estructura específica.³ La figura obtenida del origami de ADN es casi arbitraria, ya que está determinada por la posición y longitud de las grapas –usualmente de 24 a 40 bases–, pero su área está limitada por la longitud de la cadena sencilla al plegarse sobre sí misma. Para demostrar la factibilidad y versatilidad del origami de ADN como material de construcción, Paul Rothemund diseñó y formó rectángulos, triángulos e, incluso, caras felices de tamaño nanométrico (figura 1).

La gran ventaja del origami de ADN es la capacidad que tiene para colocar material inorgánico de forma exacta y deseada, de manera directa sobre su superficie, a través de las grapas con las bases complementarias del genoma del M13mp18.

SÍNTESIS DE NANOESTRUCTURAS METÁLICAS

El origami de ADN es un excelente soporte, pues constituye una red, o matriz, unida por cientos de grapas que sirven como segmentos de referencia o elementos de la matriz, al conocer su ubicación y longitud en la red. Estos segmentos, a su vez, son útiles para situar material inorgánico –como partículas metálicas– de modo preciso en sitios predeterminados del origami. De este modo, en teoría, es posible fijar tantas nanopartículas metálicas como grapas haya en el origami.

Ahora bien, la tarea de inmovilizar nanopartículas con las grapas se realiza mediante un enlazador químico; por ejemplo, se usa tioles –compuestos químicos que contienen azufre e hidrógeno– como enlazadores entre oro y ADN. La gran ventaja del origami de ADN es la capacidad que tiene para colocar material inorgánico de forma exacta y deseada, de manera directa sobre su superficie, a través de las grapas con las bases complementarias del genoma del M13mp18. La colocación precisa de nanopartículas metálicas en sustratos de ADN es de gran importancia en aplicaciones electrónicas, por ejemplo, en la elaboración de nanoalambres.

Un grupo de nanopartículas posicionadas de manera adecuada y puntual pueden fungir también como semillas en las que compuestos metálicos en solución reaccionen, y sólo el metal se adhiera alrededor de su superficie; lo que es llamado proceso de metalización. Un compuesto metálico en solución ampliamente usado en estos procesos es el nitrato de plata. Ahora bien, cada semilla aumenta de tamaño al acumularse metal en su contorno y, consecuentemente, se puede unir a las semillas vecinas que, están siendo metalizadas simultáneamente. La cantidad de material que crece alrededor de las nanopartículas depende del tiempo de metalización. Así, es posible producir nanoestructuras conductora continuas o nanoalambres, con una geometría predeterminada y deseada.

Usando la técnica descrita en este artículo, se llevó a cabo la síntesis de nanoalambres de plata mediadospor origami de ADN en nuestro laboratorio.^** Para este fin, se diseñó un origami de ADN con geometría rectangular de 90 nm de largo y 70 nm de ancho (figura 2). Usando las técnicas ya descritas, se le fijaron ocho nanopartículas de oro con diámetro promedio de 5 nm al origami de ADN, de modo tal que semejara la letra “H” (figura 3); así, las nanopartículas funcionan como semillas que crecen al adherirse plata por reducción química de una solución que contiene nitrato de plata. El diseño es tal, que la barra central en la “H” corresponde al nanoalambre de plata y las barras paralelas en la “H” serán los contactos para medir sus propiedades eléctricas (figura 4). El nanoalambre resultante tiene una longitud aproximada de 90 nm y grosor de 40 nm.

FUTURO DE ADN EN LA SÍNTESIS DE
NANOMATERIALES

Los materiales basados en origami de ADN son una excelente alternativa a los procesos convencionales de microfabricación en la industria electrónica, ya que en ellos se utiliza métodos de producción masivos y paralelos. Este esquema se basa en el adecuado posicionamiento de nanopartículas metálicas sobre el origami de ADN y ofrece la posibilidad de manufacturar por metalización una diversidad de dispositivos nanoelectrónicos; por ejemplo, además de elaborar nanoalambres, también se puede emplear para diseñar y construir nanodiodos y nanotransistores.

Jamás me hubiera imaginado que las papirolas que me enseñara a hacer aquel viejecillo durante mi infancia estuvieran relacionadas en su concepción con el progreso de la nanoelectrónica. Las ideas del pasado ocasionalmente se convierten en presente.

AGRADECIMIENTO

El autor agradece a los profesores Thom LaBean y Gleb Finkelstein, de la Universidad de Duke, Durham, NC, USA, por la oportunidad de trabajar en sus instalaciones; así como al Fís. Mauricio Pilo-Pais, por su invaluable ayuda.

REFERENCIAS

1. The editors. “The next 20 Years of Microchips”. Scientific American, 302, 1, (2010): 82-89.

2. N. C. Seeman. “Nanotechnology and the Double Helix”. Scientific American, 290, 6, (2004): 64-75.

3. K. Sanderson. “What to Make with DNA Origami”. Nature, 464, (2010): 158-159.