Tuesday, May 08, 2012

"DNA Machines: Bipedal Walker and Stepper"


"DNA Machines: Bipedal Walker and Stepper"

La figura de abajo muestra la operación de una máquina de ADN que funge como un “caminante”.  La operación principal de éstas máquinas envuelve la construcción de 4 plantillas de ácidos nucléicos en una placa de ADN y una señal de activación para la molvilidad del caminante atado a dos de las plantillas. El funcionamiento general básicamente es de 4 puntos principales:
            1.- Formación de un complejo Timina(T)-Hg2+-Timina (T).
            2.- Separación por cisteína (proceso inverso).
            3.- Disociación/formación de una estructura “i-motif” por estimulación de H+ y  OH-.
            4.- El funcionamiento es regido por las estabilidades relativas de los duplexes nucléicos y las plantillas.

            La estructura del sistema está conformada por cuatro 4 plantillas (1-4) en las cuales están adheridas fluoróforos F1, F2, F3 y F4 en la parte terminal de cada plantilla. 4 ácidos nucléicos complementarios (1´-4´). 2 hombros (6y7). Una placa de sostén (8) que sostendrá a los hombros. La placa de sostén llevará adherido 2 quenchers Q1 y Q2 que estarán pegados por las partes de los carbonos 3´y 5´.
            En primer lugar, el estado inicial del caminador es estabilizado por las plantillas I y II por hibirdación. Un tratamiento de iones Hg2+ ocasiona la formación de un complejo de coordinación T-Hg2+-T. La fuerza impulsora de la formación de éste complejo está dada por la estabilidad de los enlaces T-Hg2+-T que son más fuertes que los puentes de hidrógeno formados Timina-Citosina ó Adenina-Guanina. EL proceso inverso involucra la adición de cisteína al sistema lo que ocasionará que el caminante dé de nuevo un paso hacia atrás. La cisteína es últil debido a que contiene un átomo de azufre que  es muy afín al mercurio. Cuando el caminante no pisa ciertas plantillas, se emitirá fluorescencia como puede observarse en la figura superior. Dichas emisiones producidas, son observadas mediante espectroscopia de UV.  Cada emisión está acompañada de un color que puede ser rojo, naranja, verde ó azul. El siguiente paso es la adición de protones (pH=5.2) el cuál ocasionará el re arreglo de la hebra 2´a una estructura “i-motif cuádruplex”. La adición de protones provocará la ruptura de puentes de hidrógeno los cuáles darán el estímulo necesario para que el caminante dé un paso. Finalmente el tratamiento con iones OH- provocará una estabilización energética de la hebra lo que hará que el caminante dé un paso hacia atrás.
            En base a estos principios otras estructuras pueden ser diseñadas de tal forma que funjan como engrantes que puedan realizar movimientos horarios y anti horarios como se ve en la figura inferior.  Para éste caso, se aprecia una estructura en forma de engrane la cuál contiene los siguientes elementos:
            1.- ADN circular (9).
            2.- 4 plantillas (V-VIII).
            3.- 2 plantillas base (V y VI).
            4.-  Hebras de sostén 10, 11, 12 y 13 las cuáles evitarán el colapso de la estructura.
            5.- Una plantilla de sostén (8) a la cual serán adheridas los quenchers.
            6.- Plantillas de sostén 14,15 y 16 las cuáles proveerán de un soporte general al sistema.
No hay que olvidar que los quenchers absorben las radiaciones emitidas por los fluoróforos, es por ello que cuando son puestos en contacto (una pisada) el espectro UV muestra dicha parte “apagada”. Para ésta estructura se siguen los mismos tratamientos que el caminante lo que hará que el círculo comience a moverse.

Para más información consulte:

"DNA Machines: Bipedal Walker and Stepper"
Nano Lett. 2011, 11, 304—309.
Zhen-Gang Wang, Johann Elbaz and Itamar Willner.
DOI: 10.1021/nl104088s

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Este video es obra creativa de Armando Isaac, para el curso de Química Inorgánica I.