Los motores de nanopartículas de ADN son exactamente lo que parecen: pequeños motores sintéticos que utilizan estructuras de ADN y ARN para impulsar el movimiento a través de la degradación enzimática del ARN. Básicamente, la energía química se convierte en movimiento mecánico favoreciendo el movimiento browniano. El motor de nanopartículas de ADN utiliza un mecanismo de trinquete browniano de “puente quemado”. En este tipo de movimiento, el motor es propulsado por la degradación (o “quema”) de los enlaces (o “puentes”) que cruza con el sustrato, impulsando esencialmente su movimiento.
Estos motores de tamaño nanométrico son altamente programables y pueden diseñarse para su uso en computación molecular, diagnóstico y transporte. A pesar de su inteligencia, los motores de nanopartículas de ADN carecen de la velocidad de sus homólogos biológicos, las proteínas motoras, y ahí radica el problema. Aquí es donde entran los investigadores que utilizan experimentos de seguimiento de partículas individuales y simulaciones dinámicas basadas en geometría para analizar, optimizar y reconstruir un motor sintético rápido.
“Las proteínas motoras naturales desempeñan papeles esenciales en los procesos biológicos, con velocidades de 10-1000 nm/s. Hasta ahora, los motores moleculares sintéticos han tenido dificultades para alcanzar estas velocidades, mientras que la mayoría de los diseños convencionales van desde 1 nm/s. consiguiendo menos”, Takanori dicho. Harshima, investigador y primer autor del estudio.
Los investigadores publicaron su trabajo. Comunicaciones de la naturaleza El 16 de enero de 2025 presenta una propuesta de solución al problema de velocidad más acuciante: cambiar el cuello de botella.
El experimento y la simulación revelaron que la unión de la RNasa H es un cuello de botella que ralentiza todo el proceso. La ARNasa H es una enzima implicada en el mantenimiento del genoma y escinde el ARN en híbridos de ARN/ADN en el motor. Cuanto más lenta se produce la unión de la RNasa H, mayor es el retraso en el movimiento, lo que ralentiza el tiempo total de procesamiento. Al aumentar la concentración de RNasa H, la velocidad mejoró notablemente, mostrando una reducción en la duración de la pausa de 70 sa aproximadamente 0,2 s.
Sin embargo, el aumento en la velocidad del motor se produjo a expensas de la proactividad (el número de pasos dados antes de separarse) y la duración de la carrera (la distancia que recorre el motor antes de separarse). Los investigadores descubrieron que este equilibrio entre velocidad y permeabilidad/longitud de ejecución podría mejorarse mediante una mayor tasa de hibridación de ADN/ARN, acercando la eficiencia transcripcional a la de la proteína motora.
El motor diseñado, con un rediseño de la secuencia de ADN/ARN y un aumento de 3,8 veces en la tasa de hibridación, alcanzó una velocidad de 30 nm/s, una permeabilidad de 200 y una longitud de recorrido de 3 μm. Estos resultados muestran que el motor de nanopartículas de ADN es ahora comparable en eficiencia a una proteína motora.
“En última instancia, nuestro objetivo es desarrollar motores moleculares sintéticos que superen en rendimiento a las proteínas motoras naturales”, dijo Harashima. Estos motores artificiales pueden ser muy útiles en cálculos moleculares basados en el movimiento motor, sin mencionar su utilidad en el diagnóstico de infecciones o moléculas relacionadas con enfermedades con alta sensibilidad.
Los experimentos y simulaciones realizados en este estudio brindan una perspectiva alentadora para el futuro de las nanopartículas de ADN y los motores sintéticos relacionados y su capacidad de escalar a proteínas motoras, así como sus aplicaciones en nanotecnología.
Takanori Harashima, Akihiro Otomo y Ryota Aino del Instituto de Ciencia Molecular de SOKENDAI contribuyeron a la investigación.
Este trabajo fue apoyado por JSPS KAKENHI, Subvenciones para áreas de investigación transformadoras (A) (Investigación ofrecida públicamente) “Ciencia de materiales de la mesojerarquía” (24H01732) y “Cibernética molecular” (23H04434), la subvención había desaparecido “Molecular Engine” (18H05424), Subvención para científicos que inician su carrera (23K13645), JST ACT-X “Vida e información” (MJAX24LE) y Beca de investigación de la Fundación Tsugawa para el año fiscal 2023 para investigación científica en campos avanzados.
