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(Noticias de Nanowerk) Usando cristalografía de rayos X, los investigadores estudiaron 36 compuestos moleculares basados en ADN y descubrieron factores que producen estructuras reticulares 3D autoensambladas superiores (comunicación de la naturaleza«La influencia de la secuencia y la dinámica de la unión de Holliday en el autoensamblaje de los cristales de ADN»).
El trabajo amplía el conjunto de bloques de construcción para redes que pueden ensamblar moléculas en matrices regulares, desde proteínas para estudios estructurales hasta nanopartículas para nanoantenas y sensores de partículas individuales.
Características de Holiday Junction
La naturaleza utiliza la doble hélice del ADN para almacenar los planos de todas las formas vivas, basándose en un alfabeto de nucleótidos de cuatro letras. Los investigadores en el campo de la nanotecnología del ADN intentan emular e incluso extender las posibilidades de la arquitectura del ADN más allá de lo que la naturaleza ha creado. Un componente básico utilizado en la fabricación de muchas nanoformas de ADN se conoce como unión de Holliday. Este nexo de dos segmentos de ADN de doble cadena se ha utilizado para formar redes cristalinas intrincadas y autoensamblables a escala nanométrica.
En este trabajo, los investigadores examinaron las características de 36 variantes de la cruz de Holliday. Descubrieron que la efectividad de una variante particular para construir nanoarquitecturas cristalinas dependía no solo de la disposición de los cuatro pares de nucleótidos que forman la unión, sino también de las secuencias que forman los cuatro ‘brazos’ de la unión y la presencia de los encapsulados depende la sensibilidad a los iones. El conjunto ampliado resultante de bloques de construcción de ADN permite el ensamblaje preciso de componentes moleculares a nanoescala.
Un andamio de cristal multiusos
El objetivo fundamental de la nanotecnología de ADN estructural es el diseño racional de cristales 3D autoensamblados con enlaces de ADN. Estos andamios podrían algún día permitir a los científicos colocar proteínas, péptidos, moléculas pequeñas y nanopartículas en matrices regulares, sin pasar por los métodos estándar de detección de cristalización para una variedad de moléculas objetivo que de otro modo no se cristalizarían para estudios estructurales a resolución atómica.
Estos andamios de ADN también podrían usarse como esponjas moleculares que «absorben» objetivos, ya sea para el posicionamiento específico del sitio de proteínas involucradas en cascadas de enzimas o para alinear varias nanopartículas para aplicaciones de nanoelectrónica o nanofotónica (por ejemplo, nanoantenas, metamateriales y sensores de una sola molécula). ).
Estudios estructurales sistemáticos
Aquí, los investigadores realizaron el primer estudio sistemático de las uniones Holliday para cristales de ADN autoensamblados utilizando cristalografía de rayos X en el Centro de Biología Estructural de Berkeley (BCSB) Beamline 5.0.2 en el ALS, así como en la Fuente Avanzada de Fotones y el National Synchrotron Light Source II Los experimentos de cristalografía con cristales de ADN autoensamblados se han realizado en líneas de luz BCSB desde 2012 y revelaron varios andamios de cristales de ADN novedosos que formaron la base del trabajo informado aquí.
El estudio integral actual determinó 134 estructuras cristalinas únicas, aproximadamente la mitad (68) de las cuales se resolvieron directamente a partir de los datos obtenidos en ALS. El gran volumen de datos recopilados requirió años de tiempo de luz dedicado en las líneas de luz de BCSB.
Un kit de herramientas de ADN avanzado
Durante décadas, se utilizó una secuencia de nucleótidos de unión Holliday (“J1”) para todos los sistemas de cristales de ADN autoensamblados porque inicialmente se informó que era la más favorable desde el punto de vista energético. Sin embargo, en este estudio, los investigadores identificaron una variedad de transiciones superiores que no solo mejoran la resolución sino que también controlan la simetría del cristal.
Inesperadamente, resulta que los nucleótidos pueden tener un impacto significativo en la arquitectura de la red así como en la resolución además de la unión. Además, se encontró que seis secuencias conectoras eran completamente resistentes a la cristalización. Las simulaciones de dinámica molecular mostraron que estas uniones invariablemente carecen de dos sitios de unión iónica que son críticos para la formación de cristales.
Actualmente se están realizando esfuerzos para diseñar racionalmente nuevos sistemas de cristal con diferentes simetrías para albergar materiales invitados. En términos más generales, el conocimiento obtenido de este trabajo amplía la caja de herramientas para la ingeniería molecular de plataformas basadas en ADN para nanoelectrónica aplicada, nanofotónica y catálisis.
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