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ADN para depositar y organizar moléculas a escalas inferiores a los 10 nanómetros

Científicos han desarrollado este nuevo método que serviría para aplicaciones microelectrónicas y biomédicas, incorporando moléculas de forma ordenada “a la carta”. El trabajo, liderado por el CSIC, se ha publicado en la revista Advanced Materials. Los segmentos de ADN se acoplan entre ellos como piezas de ‘lego’ y pueden usarse como  “adhesivo” para acoplar otras moléculas funcionales o nanomateriales

Imagen de microscopia electrónica de barrido mostrando nanopartículas de oro de 10 nanómetros alineadas en una superficie de oro utilizando la papiroflexia del ADN.Desde hace pocos años se investiga el uso de ADN como base para obtener nanodispositivos, aprovechando el hecho de que los segmentos de ADN se acoplan entre ellos como piezas de ‘lego’. Además, estos segmentos de ADN se pueden usar como “pegamento” para acoplar otras moléculas funcionales o nanomateriales. Así se pueden generar estructuras de varios componentes con una gran precisión que se pueden utilizar para la creación de superficies sensoras o sistemas de direccionamiento de medicamentos, entre otros usos.

Sin embargo, aun no se ha conseguido un método para integrar de forma fácil estas estructuras de ADN dentro de otros dispositivos microelectrónicos.

Ahora, un trabajo liderado por el CSIC, y publicado en la revista Advanced Materials, ha conseguido un importante avance en esta línea. El equipo, liderado por Ramon Eritja, profesor de investigación del CSIC en el Instituto de Química Avanzada de Catalunya (IQAC), ha ideado un proceso de litografía molecular para crear patrones en superficies de oro. Este proceso  puede ser implementado para la creación de pequeños circuitos dentro de los dispositivos microelectrónicos.

El trabajo ha contado con la participación de científicos del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), y de la Universidad de Barcelona (UB), la mayoría de ellos integrados en el Centro de Investigación Biomédica en Red de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN).

Doblar el ADN como si fuera papel

El método se basa en el uso de la técnica de la papiroflexia del ADN (en inglés DNA origami), en la que se parte de una gran cadena de ADN de origen viral que se va plegando de forma natural gracias a otros pequeños segmentos de ADN (oligonucleótidos) que actúan como si fueran grapas, hasta obtener diseños diversos. De ahí viene precisamente su nombre, tomado del tradicional arte oriental que crea figuras plegando una hoja de papel en distintas formas.   

Las estructuras obtenidas pueden usarse como plantillas para colocar proteínas, nanopartículas, enzimas o cualquier otra molécula funcional siguiendo un patrón predeterminado. 

Usando esta técnica, los científicos han fijado primero, en una superficie de oro, un conjunto de moléculas de ADN de unos 10 micrómetros cuadrados que contiene unos 250 segmentos de ADN de forma ordenada. Entre cada uno de los segmentos de ADN hay una distancia de pocos nanómetros.

Para la generación del patrón –en este caso, una línea- se han modificado 12 de los 250 oligonucleótidos grapa con un compuesto químico (un grupo tiol) que reacciona con la superficie de oro. No obstante, se podría “dibujar” cualquier otra forma como patrón.  “De esa forma, esas moléculas marcadas de ADN y sólo esas reaccionan cuando son fijadas sobre la superficie de oro, que es la base habitual de los microdispositivos”, explica Ramon Eritja, científico del CSIC en el Instituto de Química Avanzada de Catalunya.

Han conseguido integrar, sobre las superficies de los circuitos, estructuras de ADN a una escala inferior a los 10 nanómetros, algo que hasta ahora no se había podido conseguir

Cuando las moléculas de ADN marcadas se han unido a la superficie de oro, se eliminan las otras que no están marcadas así como el ADN viral. Es así como se consigue transferir a la superficie de oro el patrón lineal de oligonucleótidos, el cual, a su vez, puede atraer y unir nanomateriales funcionalizados con cadenas complementarias a las grapas de ADN. 

Es como crear un sello o un tampón, que se puede integrar en los procesos de fotolitografía que se usan habitualmente para crear circuitos microelectrónicos, y que permite “estampar” e integrar, sobre las superficies de oro de los circuitos, estructuras o patrones de ADN a una escala inferior a los 10 nanómetros. Algo que hasta ahora no se había podido conseguir.

Aplicaciones

La tecnología actual permite sintetizar y marcar centenares de oligonucleótidos con gran rapidez, lo que permitiría trasladar este método a escala industrial.

Este método permite la obtención de superficies con muchas moléculas dispuestas de forma ordenada, siguiendo patrones moleculares de tamaño nanométrico. Estas superficies se podrían utilizar para crear circuitos más pequeños que los actuales (por ejemplo, lápices de memoria con una capacidad 100 veces mayor que los actuales) o superficies sensoras de alta resolución. En esta última aplicación, se podría aprovechar el pequeño tamaño de los patrones obtenidos para incorporar de forma ordenada muchos sensores en una superficie muy pequeña. Así, por ejemplo, se podría analizar un centenar de sustancias en una plaquita de oro más pequeña que una célula.

 

Artículo de referencia: DNA origami-driven lithography for patterning on gold surfaces with sub-10 nanometer resolution. Gállego, I., Manning, B., Prades, J.D., Mir, M., Samitier, J., Eritja, R. Adv. Materials, 2017. doi: 10.1002/adma.201603233

Científicos desarrollan este nuevo método que serviría para aplicaciones microelectrónicas y biomédicas, incorporando moléculas de forma ordenada “a la carta”. El trabajo, liderado por el CSIC, se ha publicado en la revista Advanced Materials. Los segmentos de ADN se acoplan entre ellos como piezas de ‘lego’ y pueden usarse como “adhesivo” para acoplar otras moléculas funcionales o nanomateriales.