nanotecnia de doble helice - investigación y ciencia
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AGOSTO 20045,50 EURO
EL DISCO CELESTE DE NEBRA •• INVESTIGACION CON CELULAS MADRE
NANOTECNIA
de DOBLE HELICE
NANOTECNIA
de DOBLE HELICE
EXPLOSIONES NUCLEARES
EN ORBITA
CONSERVACION DE PLANTAS
DE INTERES FORESTAL
IMPORTANCIA DEL CONTEXTO
EN LA GENETICA
REDES DE SENSORES
INTELIGENTES
EXPLOSIONES NUCLEARES
EN ORBITA
CONSERVACION DE PLANTAS
DE INTERES FORESTAL
IMPORTANCIA DEL CONTEXTO
EN LA GENETICA
REDES DE SENSORES
INTELIGENTES
Agosto de 2004Número 335
Redes de sensores inteligentespara percibir el mundo realDavid E. Culler y Hans Mulder
Una nueva clase de ordenadores, nomayores que un pastillero, provistos desensores y capaces de constituir redesconectándose por radio, vigilará fábricas,almacenes e incluso ecosistemas.
Explosiones nucleares en órbitaDaniel G. Dupont
La proliferación de armas nucleares suscitaría el temor de que el sistemamundial de satélites sufriese un ataque nuclear.
Importancia del contextoen la genéticaH. Frederik Nijhout
El entorno influye en los efectosde los genes y condicionala herencia de los caracteres, se tratedel color de una flor o de la probabilidadde desarrollar un cáncer.
Investigación con células madreRobert Lanza y Nadia Rosenthal
¿Qué obstáculos se interponen entre lasesperanzas que despiertan las terapiasbasadas en células madre y los tratamientosclínicos reales?
3HACE...50, 100 y 150 años.
4APUNTES
Astronomía...Salud...Arqueología...Astrofísica...Optimización.
34CIENCIA Y SOCIEDAD
Ecología bacteriana...Nanofibras de carbono...Anemia de Fanconi...Lince ibérico...Experimento en el Danubio,
fotones entrelazados.
42DE CERCA
Peces y omega-3.
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Conservación de plantas de interés forestalAntonio Troncoso de Arce, Manuel Cantos Barragán, Juana Liñán Benjumea,Javier Troncoso Mendoza y María García Liñán
Se han ideado y experimentado diversos métodos de propagación y deconservación de especies vegetales del bosque mediterráneo en recesión opeligro de extinción.
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86CURIOSIDADES DE LA FÍSICA
El efecto estabilizadorde la sierra de vaivén,por Christoph Pöppe
88JUEGOS MATEMÁTICOS
El reparto del poderen la Unión Europea,por Juan M.R. Parrondo
90IDEAS APLICADAS
Cirugía ocular con láser,por Mark Fischetti
92LIBROS
Ciencia sin libros,fuentes de informacióny difusión.
6Nanotecnia de doble héliceNadrian C. Seeman
El ADN no sólo contiene el secreto de la vida.Con él podrían crearse también estructurasy dispositivos nanométricos.
El disco celeste de NebraHarald Meller
Uno de los hallazgos arqueológicos másimportantes de los últimos cien años, eldisco celeste de Nebra, reviste además uninterés central en la protohistoria de laastronomía y de la religión. Se trata de larepresentación más antigua que se conoce dela bóveda celeste y fenómenos astronómicos.
El disco de Nebra,¿un calendario agrícola?Wolfhard Schlosser
A primera vista, este disco celeste parecemostrar el Sol, la Luna y las estrellas. Peroun examen atento nos revela que losconocimientos astronómicos de la Edad delBronce sobre las posiciones de las Pléyadesservían para establecer un calendario.
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Portada: Ken Eward, BioGrafx
COLABORADORES DE ESTE NUMERO
Asesoramiento y traducción:
Luis Bou: Nanotecnia de doble hélice; J. Vilardell: Explosiones nuclea-res en órbita, Apuntes, Hace... e Ideas aplicadas; Felipe Cortés:Investigación con células madre e Importancia del contexto en la gené-tica; Encarna Hidalgo: El disco celeste de Nebra y El disco de Nebra¿un calendario agrícola?; Jürgen Goicoechea: Curiosidades de la física
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Difusióncontrolada
INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, agosto, 2004 3
...cincuenta años
UNA BAJA DE LA GUERRA FRÍA. “Por cuatro votos a uno,la Comisión de Energía Atómica consideró a J. RobertOppenheimer un riesgo para la seguridad y no aptopara seguir trabajando en el área atómica de la de-fensa nacional. Dentro de la Comisión, el disidentefue el miembro científico del jurado. Henry D. Smythafirmó que mantener a Oppenheimer en su puesto ‘nopondría en peligro la defensa y seguridad del país’,sino que, al contrario, ‘seguiría fortaleciendo a losEstados Unidos’. Esta opinión planteó de modo muynítido el desacuerdo entre los científicos y la admi-nistración nacional acerca del actual sistema de segu-ridad. Los cuatro miembros que condenaron a Oppen-heimer basaron su decisión en ‘defectos fundamentalesde su carácter’ y en sus relaciones con comunistas,que ‘han traspasado largamente los límites tolerablesde prudencia y dominio de sí esperables de una per-sona de su posición’.”
EL ORIGEN DE LA VIDA. “Siguesiendo cierto que, salvo excep-ciones insignificantes, toda la ma-teria orgánica que conocemoses producto de organismos vi-vientes. Pero esas excepcionesinsignificantes son muy impor-tantes. Se reconoce ya que unaconstante y lenta producción demoléculas orgánicas tiene lugarsin el concurso de seres vivos.Si el origen de la vida perteneceal reino de los fenómenos natu-rales, ello implica que en otrosplanetas como la Tierra proba-blemente exista vida, una vida taly como nosotros la conocemos.—George Wald” [Nota de laRedacción: Wald ganó el premioNobel de fisiología y medicinaen 1967.]
DEIDAD FELINA. “Desde las estri-baciones de los Andes superio-res, el río Virú fluye por las sua-ves laderas de un valle para verteren el Pacífico. Sólo algunas rui-nas medio enterradas sugierenun pasado más poderoso y rico.La alfarería hizo su aparición enel valle del Virú hacia 1200 a.C.Al principio, sólo en forma deartículos toscos y sin adornos,para luego adquirir el más defi-nido carácter de una cultura cuyo
elemento central parece haber sido el culto religiosoque se representa por un dios-gato de aspecto ferozy prominentes incisivos (véase ilustración). Ese de-monio merodearía por la cosmología de los antiguosperuanos durante los 2000 años siguientes.”
...cien años
LA EDAD DEL SOL. “En Nature explica el profesor GeorgeHoward Darwin que las anteriores estimaciones de laedad del Sol habrán de modificarse como resultadodel descubrimiento de una nueva fuente de energía enla desintegración de los átomos de las sustancias ra-diactivas. Lord Kelvin llegó a su bien conocida esti-mación de 100 millones de años bajo la hipótesis deque la energía emitida por el Sol procedía de la gra-vitación, por la concentración de su masa. Calcula elprofesor Darwin que si el Sol estuviera constituido demateria radiactiva de la misma potencia que el radio,el astro sería capaz de emitir casi 40 veces la energíagravitatoria. La multiplicación por 20 de la estimación
física resultaría en una concor-dancia muy estrecha con los re-sultados de la geología.”
...ciento cincuenta años
FAUNA HUMANA. “La ponencia delprofesor Louis Agassiz aportauna nueva teoría. Esperamos,no obstante, que la abandone,pues la consideramos en con-tradicción con los mismos hechosque ha presentado, y desmerecepor completo de su gran inteli-gencia y renombre. Su teoría, sim-plemente, sostiene que el hom-bre forma parte de la fauna decada país; es decir, que perte-nece a los animales de cada país,como raza específica, y que cadafauna posee una raza humanacomo parte de ella. Si tal teoríatuviera un mínimo peso, en nues-tro continente, cuando fue des-cubierto, deberían de haberse ha-llado razas como las que pueblanEuropa. La fauna de Canadá esmuy parecida a la de la Europasemiseptentrional. El alce, el reno,el oso y el castor son nativos deambos continentes. Sin embargo,¿no hay diferencias entre los in-dios mohawk y los celtas de Es-cocia, o los escandinavos de laantigua Noruega?
HACE
Dios-gato de aspecto terrorífico, vasija funeraria(altura, unos 25 cm) del antiguo norte de Perú(de una nota de agosto de 1954).
APUNTES
4 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, agosto, 2004
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pergérmenes, quizá no esté jus-tificada la mala fama de los jabonesy dentífricos antibacterianos. El equi-po de Peter Gilbert, de la Universidadde Manchester, aislaron 17 bacteriasprocedentes de un fregadero de co-cina y las expusieron durante tresmeses a biocidas amoniacales cua-ternarios. Algunas cepas puras decada bacteria desarrollaron una sus-ceptibilidad mayor o menor a los bio-cidas y antibióticos; no ocurría asícon la mezcla de cepas, que nomostró señales de cambios en suresistencia.
“La resistencia tarda en manifestar-se” objeta Stuart Levy, de la Univer-sidad de Tufts, quien en 1998 descu-
brió que E. coli desarrollaba resisten-cia al triclosán, otro biocida común.Señala que ningún estudio ha demos-trado aún que los biocidas sean másbeneficiosos para la higiene que eljabón y el agua; añade que las bacte-rias domésticas inocuas están mos-trando resistencia a los antibióticos.Levy y el grupo de Manchester coin-ciden en que sería mejor que losproductos antibacterianos no dejenresiduos que pudieran servir de nu-trientes a otras bacterias.
—J. R. Minkel
SALUD
Enjabónese tranquilamente
Los jabones antibacterianos no parecenfomentar la aparición de supergérmenes.
Los espectrógrafos de los grandes telescopios deter-minan la composición de la luz de estrellas o gala-
xias. Pueden, además, examinar el resplandor difusodel cielo nocturno. No todo alumbrado público es igual-mente dañino. Las lámparas deincandescencia y de vapor demercurio emiten luz banca, queabarca todas o casi todas laslongitudes de onda visibles. Aun-que menos lesivas, las lucesanaranjadas de sodio a alta pre-sión emiten también en todas laslongitudes de onda de una partedel espectro. Las más aceptablesson las amarillas de sodio a bajapresión, que emiten a dos longi-tudes de onda muy cercanas;pueden filtrarse bien sin distorsio-nar demasiado la información na-tural. Aun así, la Unión Astronó-mica Internacional recomiendaque la intensidad de la luz artifi-cial en esas líneas no supere lanatural, originada por desexcita-ciones atómicas en la alta atmós-fera. El mayor observatorio euro-peo del hemisferio boreal es eldel Roque de los Muchachos, enla isla canaria de La Palma. LaLey del Cielo de 1988 y un decreto de 1992 establecenlas orientaciones de los focos y dictan que en la isla nodebe haber encendido después de medianoche alumbra-
do público que no sea de sodio de baja presión. (Estaslámparas son las únicas que se admiten fuera de losnúcleos urbanos.) La isla tenía, a finales de 2000,17.166 luminarias en las calles. Once mil eran de sodio
de baja presión, con un 45 porciento del flujo lumínico total;sin embargo, quedaba todavíaun 9 por ciento de ese flujo quese debía a lámparas de mercu-rio. Un análisis de la contami-nación lumínica efectuado porMarco Pedani a partir de los es-pectros tomados durante 2003con el instrumento DoLoRes delTelescopio Nazionale Galileo, enel observatorio internacional deEl Roque, ha establecido lo si-guiente: la contaminación porlámparas de mercurio se ha re-ducido a la mitad desde 1998,salvo cuando se mira hacia losnúcleos urbanos antes de lasdoce; en cambio, se ha dupli-cado la emisión característicade las lámparas de sodio debaja presión y se incumple larecomendación de la Unión As-tronómica. Se ha encontradotambién una línea correspon-
diente al escandio, aditivo de las lámparas de halurometálico de alta presión. Que sepa Pedani, sólo puedevenir de los focos de algún estadio.
ASTRONOMIA
Luces en la isla
INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, agosto, 2004 5
En Bogotá, la capital de Colombia, el tráfico lo forman más deun millón de automóviles, camiones y autobuses, pero en sus
atestadas autopistas se agolpan aún más vehículos en tránsitolento que en otras ciudades de grandes dimensiones, afirmanJosé Daniel Muñoz y Luis Eduardo Olmos, físicos de la Univer-sidad Nacional de Colombia. Con una videocámara grabaron uncoche en marcha y seguidamente elaboraron reglas de acelera-ción y frenado, valiéndose de un modelo de tráfico celular autóma-ta, en el que los vehículos son puntos en una retícula que reac-cionan a los puntos próximos. Según el modelo, la clave está enla conducción agresiva: ponerse casi parachoques con paracho-ques antes de aminorar la velocidad. Esa circulación más densase cobra un peaje: un gran número de muertes por accidentesde circulación. —J. R. Minkel
OPTIMIZACION
Conducir por Bogotá
El movimiento en un tráfico denso puede exigir una conducción agresiva.
Unas intrincadas tallas en los mejores jades de la antigua China se inscribie-ron con máquinas compuestas, tres siglos antes que en Occidente. La
primera referencia histórica a máquinas compuestas —las que combinan distintostipos de movimiento— aparece en el siglo I d.C., en un texto atribuido a Herón deAlejandría. (Una máquina simple, como el torno de alfarero, emplea una solaforma de movimiento.) Peter Lu, doctorando de la Universidad de Harvard, al exa-
minar unos aros ornamentales funerarios hechos dejade procedentes del período Primavera y Otoño (771a 475 a.C.), descubrió unos surcos cuya uniformidady precisión abona poderosamente la certeza de la in-tervención de máquinas compuestas. Algunos surcosdescribían, con una inexactitud de menos de 200 mi-cras, espirales de Arquímedes ideales. Lu sugiere queun estilo suspendido sobre una plataforma giratoriapudo haber trazado las espirales.
—Charles ChoiPara grabar: Réplica de una má-quina posiblemente empleada paraabrir espirales en el jade.
ARQUEOLOGIA
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Las incisiones trazan una curva llamadaespiral de Arquímedes (líneas blancas).
En un apunte de este marzo hablábamos de la mayorestrella conocida, LBV 1806-20. Se nos cayó una
palabra y el astro perdió mucho lustre: decíamos quesu brillo multiplicaba por 40 el del Sol; y lo multiplicaquizá hasta por 40... millones. La errata arrastraba a suvez a la estrella Pistola, que “sólo lo multiplica por seis(millones)”. Pero la verdad es que no es seguro quehaya una estrella tan, tan brillante. Como sus propiosdescubridores explican, no cabe descartar que LBV1806-20 sea una binaria, o incluso un sistema múltiple.Sí parece bastante improbable que se trate de un cú-mulo. Existe una manera directa de medir masas de es-trellas —es decir, no a partir de su distancia y brillo,como en el caso de LBV 1806-20—, que por su propia
naturaleza evita las dudas que afectan a las medicionesde LBV 1806-20 o Pistola. Se aplica sólo a las binariaseclipsantes, parejas de estrellas donde la interposiciónde una componente ante la otra va atenuando periódi-camente la luz total del sistema. De la curva queexpresa esa variación de la luz a lo largo del tiempose calculan las masas de ambas estrellas. Se acabande publicar las del sistema binario más pesado hastaahora conocido: WR 20a. La masa de cada estrellamultiplicaría ochenta y tantas veces la solar. Vienea ser alrededor de la mitad de la de LBV 1806-20,en caso de que fuese una única estrella, y semejantea la de los astros de que constaría si fuese una binariacon componentes de envergadura parecida.
ASTROFISICA
Más sobre estrellas monumentales
Nanotecniade doble héliceEl ADN no sólo contiene el secreto de la vida.
Con él podrían crearse también estructuras y dispositivos nanométricos
Nadrian C. Seeman
En el año 2003 se celebró el quincuagésimo aniversario del descubrimiento dela estructura doblemente helicoidal del ADN. El hallazgo de James D. Watsony Francis H. Crick redujo la genética a la química y echó los cimientos de labiología de la media centuria posterior. Hoy se cuentan por millares los bió-
logos que se esfuerzan en descifrar la miríada de formas en que los genes rigen eldesarrollo y funcionamiento de los organismos; genes, todos ellos, escritos en unúnico soporte: el ADN.
Mas tan extraordinaria molécula no sólo sirve a los fines de la bioquímica. La téc-nica permite construir largas moléculas de ADN cuya secuencia de bases se elige avoluntad. Dicha facultad abre nuevas sendas que la naturaleza, al evolucionar la vida,nunca ha tomado. Así, por ejemplo, Leonard M. Adleman, de la Universidad Meridionalde California, hizo patente en 1994 que el ADN podía operar como una máquina decómputo [véase “Computación con ADN”, por Leonard M. Adleman, en INVESTIGACIÓNY CIENCIA, octubre de 1998]. El presente artículo se ocupa de otra aplicación nobiológica del ADN, a saber, la construcción de estructuras y dispositivos cuyos ele-mentos y mecanismos esenciales tienen dimensiones de entre 10 y 100 nanómetros.En una palabra: nanotecnia.
Tales estructuras ofrecen múltiples aplicaciones potenciales. Mallas regulares deADN podrían utilizarse para alojar varias moléculas biológicas idénticas en una for-mación ordenada (imitando un cristal); ello facilitaría la indagación de su estructuramediante cristalografía de rayos X, un paso crucial para el diseño de fármacos.Dichos retículos servirían también de “andamio” para componentes nanoelectróni-cos, ya fuera para operar como dispositivos funcionales o como mera etapa de la fa-bricación de éstos. Se podrían sintetizar materiales —hechos de o mediante ADN—cuyas estructuras estuvieran diseñadas con precisión molecular. Máquinas de ADNprovistas de elementos móviles podrían operar como sensores nanomecánicos, con-mutadores o pinzas, así como realizar funciones robóticas más complejas.
ADN ramificadoLa nanoescala corresponde a la dimensión de las moléculas. La longitud de un en-lace típico entre dos átomos es de unos 0,15 nanómetros (un nanómetro equivale ala millonésima de milímetro.) La hélice de ADN se caracteriza por un diámetro deunos dos nanómetros; completa una vuelta cada 10 pares de bases, formando una es-calera cuyos “peldaños” están separados por una distancia de alrededor de 3,5 nanó-metros. Un segmento corto de ADN interactúa con gran especificidad con otras molé-culas, según su secuencia de pares de bases. Dicha especificidad podría utilizarsepara reconocer determinadas sustancias o controlar la composición de un cierto ma-terial, si en el proceso de síntesis un fragmento de ADN actuara de catalizador. Losbiólogos llevan muchos años explotando esta capacidad de reconocimiento; en inge-niería genética, por ejemplo, sacan especial provecho de la adherencia de sus extre-mos. Un extremo muestra propiedades “adhesivas” si una de las hebras de la doblehélice es algunas bases más larga que la otra, bases éstas que quedan desempareja-das. Dicha “pegajosidad” se debe a la propensión del fragmento sobresaliente aunirse con una hebra complementaria: la adenina de una hebra se empareja con latimina de la otra hebra y la citosina con la guanina. [Puede verse otra aplicación ba-sada en la adhesividad del ADN en “Micromatrices de ADN”, por Stephen H. Friendy Roland B. Stoughton, en INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, abril de 2002.]
A primera vista, no parece que el ADN pueda conducirnos hasta estructuras de in-terés. El largo cordón que forma el ADN ordinario sólo sugiere la posibilidad de ge-nerar líneas o aros, como mucho enredados o anudados entre sí. Pero el ADN conoceotras estructuras además de la lineal. Durante ciertos procesos celulares, la cadena denucleótidos (monómeros de los ácidos nucleicos) adopta una estructura ramificada,aunque efímera. Tal ramificación acontece en la replicación del ADN (previa a la di-visión celular) y en la recombinación (durante el intercambio de material genético en-
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1. LAS HEBRAS DE ADN se autoensamblan en estructuras complejas si se preparan sus secuencias debases para que éstas se emparejen de una forma determinada. En la imagen aparece un modelo de unoctaedro truncado que consta de seis caras cuadradas y ocho hexagonales. La longitud de las aristases de unos 20 nanómetros. En cada vértice sobresale una horquilla de ADN. Con la modificación deesas horquillas podría buscarse que se concatenaran entre sí octaedros truncados y construir así unarmazón tridimensional.
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8 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, agosto, 2004
tre pares homólogos de cromosomas,como ocurre en la producción deóvulos o espermatozoides).
Las ramas se forman cuando ladoble hélice se abre parcialmente ensus dos hebras. En la replicación,cada una de ellas se convierte enuna nueva doble hélice mediante launión de nucleótidos complemen-tarios en toda su longitud. (Un nu-cleótido consta de una base nitro-genada y la sección correspondientedel espinazo de la hélice, es decir,un azúcar y un ácido fosfórico.)Mayor interés reviste el entrecru-zamiento que se produce durante larecombinación, en la cual dos frag-mentos de ADN se abren y escin-den parcialmente; las cuatro hebrasresultantes se unen de forma pare-cida al cruce de dos caminos.
El punto de ramificación del ADNrecombinante se localiza allí dondecada una de las cuatro hebras aban-dona a su pareja para unirse con otra.Pero su posición no es fija sino mó-vil: a causa de la simetría que tie-nen respecto al mismo las basesque lo flanquean (como el número69, se caracteriza por un centro deinversión), cada hebra puede empa-rejarse con cualquiera de las otrasdos. En 1979 me encontraba traba-jando con Bruce H. Robinson, ahoraen la Universidad de Washington.Tratábamos de describir este des-plazamiento, cuando me percaté deque las moléculas de ADN sintéticoque carecieran de dicha simetría for-marían puntos de ramificación fi-jos. Para fabricar una unión de estetipo se necesitarían cuatro hebrasde ADN; en cada hebra, la secuen-
cia de bases correspondiente a unamitad del filamento debería casarcon la de la mitad de una segundahebra, y la correspondiente a la otramitad, con la secuencia de la mitadde una tercera (véase la figura 2d).
¿Por qué el ADN tiende a adop-tar la doble hélice descubierta porWatson y Crick? La estructura pre-ferida por cualquier sistema químicoes aquella que minimiza su energíalibre. Así, en general, esta magni-tud determina el sentido en que pro-gresan las reacciones químicas, asícomo la conformación —plieguesy uniones— del ADN, el ARN, lasproteínas y otras macromoléculas.En el caso de dos hebras comple-mentarias de nucleótidos, su energíalibre es mínima cuando se empare-jan para formar una doble hélice.
La única estructura que permitea nuestras cuatro hebras sintéticasformar el máximo número de do-bles hélices de ADN es la ramifi-cada. En general, las configuracio-nes con puntos de ramificación noson favorables —o preferidas—, puesincrementan la energía libre de lamolécula; pero en este caso, tal in-cremento queda más que compen-sado por el ahorro energético quesupone la formación de los cuatrobrazos de ADN en doble hélice,que es mucho mayor. Sintetizar ADNy hacer realidad el concepto delADN ramificado estable constituyehoy una práctica sencilla. Sin em-bargo, en 1979 se trataba de unaproeza química. Si, además, tene-mos en cuenta que yo no era ningúnexperto en síntesis orgánica sinoen cristalografía, no resulta extraño
que el concepto de ADN ramifi-cado sintético no se llevara enton-ces a la práctica (no aprendí a sin-tetizar ADN hasta 1982).
Inspirado en EscherCierto día otoñal de 1980, cayó enmis manos un grabado de M. C.Escher, Profundidad. Su contem-plación me inspiró la posibilidadde crear ADN ramificado con jun-turas de más de cuatro brazos. Enesa obra, cada pez constituye unaimagen idealizada del punto de ra-mificación de una juntura de seisbrazos. Seis son los elementos queparten del centro del pez: una ca-beza y una cola, una aleta dorsal yuna ventral, una aleta derecha y otraizquierda. Los peces se distribuyencomo las moléculas de un cristal,repitiéndose periódicamente en lastres dimensiones: hacia delante yhacia atrás, hacia arriba y abajo, yhacia la derecha y la izquierda. Penséque, si se mantenían unidas las jun-turas, valiéndose de las propieda-des adhesivas de los extremos delADN, sería posible organizar la ma-teria a escala nanométrica, igual queEscher había utilizado la imagina-ción para mantener unidos a lospeces de su cardumen.
Varias son las razones que nosimpulsaron a emprender la cons-trucción de dichas estructuras ra-mificadas. En primer lugar, permi-tirían controlar, con una precisiónnanométrica, la estructura y la sín-tesis de nuevos materiales dotadosde propiedades, o combinaciones depropiedades, nunca vistas. Podríanfabricarse, por ejemplo, sustanciascon propiedades ópticas preesta-blecidas —caso de los cristales fotó-nicos— mediante la construcción deordenaciones moleculares con dis-tancias internodales determinadas[véase “Cristales fotónicos”, por EliYablonovitch, en INVESTIGACIÓN YCIENCIA, febrero de 2002].
En segundo lugar, tal andamiajede ADN sería de gran utilidad paramantener a otras moléculas en unaordenación dada, en especial si és-tas no forman una estructura cris-talina por sí mismas. Podrían fa-bricarse así cristales de proteínas yotras moléculas de gran tamaño, ap-tos para experimentos cristalográfi-cos. Esta técnica permitiría deter-minar la estructura tridimensional
■ La molécula de ADN resulta muy útil en la construcción de estructu-ras nanométricas. Para diseñar hebras de ADN que se autoensam-blen en disposiciones complejas, basta con escoger las secuenciasde bases que llevan a la formación, por complementariedad, de tra-mos de dobles hélices determinados.
■ Los andamiajes de ADN podrían servir de anclaje de moléculas; distri-buidas así en una estructura regular, podrían estudiarse con métodoscristalográficos. También podrían albergar dispositivos nanoelectróni-cos, o utilizarse para fabricar materiales dotados de configuracionesmoleculares precisas.
■ Las máquinas nanométricas de ADN, en su operación, promueven queciertas regiones de su estructura cambien de una conformación aotra. Dichos movimientos se controlan mediante las variaciones de lacomposición química del entorno o a través de la acción de hebrasde ADN especiales.
Resumen/Nanotecnia de ADN
de los compuestos que se encerra-ran en la “jaula” de ADN, requisitofundamental para el diseño de fár-macos que deban engranar con pre-cisión en regiones concretas de sumolécula diana. (Muchas de las sus-tancias candidatas a convertirse enexcelentes fármacos no se avienena las técnicas cristalográficas.) De
forma similar, sería posible organi-zar componentes nanoelectrónicosen dispositivos de memoria muy pe-queños, como Robinson y el autorhabían ya sugerido en 1987.
¿Por qué utilizar ADN para talesfines? La razón principal estriba enque las hebras de ADN interactúande forma programable y predeci-
ble. Un extremo adhesivo de N ba-ses de longitud adopta una de en-tre 4N posibles secuencias de ba-ses. Tan enorme variabilidad, sumadaa la propensión del extremo a aco-plarse sólo a una secuencia com-plementaria, proporciona un am-plio abanico de posibilidades parael diseño de moléculas que consten
INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, agosto, 2004 9
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a b
e
d
Fosfato
Desoxirribosa(un azúcar)
Enlaces débilesentre bases
Espinazode azúcares y fosfatos
Espinazo de azúcaresy fosfatos
Bases
Bases
Nucleótido
2,0 nanómetros
Hélicedextrógira
Hélicelevógira
B-ADN Z-ADN
3,5
nanó
met
ros
G C
TA
c
Extremoadhesivo
ESTRUCTURA DEL ADN
2. EL AUTOENSAMBLAJE de las estructuras de ADN es fruto de la fuerte propensiónde las hebras complementarias a unirse para formar una doble hélice. Merced a esteprincipio, unos extremos �adhesivos� (a), cadenas cortas de ADN sin emparejar quesobresalen de la molécula, se sueldan con unidades específicas. Otro elemento cons-titutivo clave nos lo ofrece el ADN ramificado (b); en su seno, tres o más dobles hé-lices se unen en un punto de ramificación. En el ADN ramificado que se presenta enla naturaleza, el punto de ramificación es móvil (c), puesto que las secuencias de loscuatro brazos son simétricas (se relacionan mediante un centro de inversión). En elADN ramificado artificial, carente de dicha simetría, el punto de ramificación se man-tiene fijo (d). Varios ejemplares de ADN ramificado con extremos adhesivos comple-mentarios (e) se autoensamblan para formar una estructura reticular.
EL ADN pertenece al do-minio nanométrico. Constade un doble espinazo demoléculas de fosfatoy azúcar, entre las cualesse tienden unas vértebrasformadas por pares debases complementarias(A y T, C y G) conectadaspor enlaces químicos dé-biles (izquierda). La confi-guración habitual del ADNes el B-ADN (centro), unadoble hélice dextrógirade unos dos nanómetros dediámetro y una vuelta dealrededor de 3,5 nanóme-tros que da cabida a unas10 o 10,5 pares de bases.En ciertas condiciones, ladoble hélice adopta unaconformación levógira: elZ-ADN (derecha).
de múltiples hebras de ADN uni-das entre ellas de forma completa-mente especificada. Sabemos,además, que cuando dos extremosadhesivos se unen, forman la es-tructura doblemente helicoidal clá-sica del ADN, que goza de notablerigidez. Así pues, no sólo conoce-mos qué hebras se unen a qué otras,sino también cuál es la forma queadoptan tras la unión. Carecemos deuna información tan precisa cuandose trata de proteínas o de anticuer-pos, otros compuestos en el puntode mira de la nanotecnia. Cierto esque tales candidatos presentan tam-bién una extensa variabilidad; sinembargo, determinar la conforma-ción que adoptará una proteína, ola forma en que se unirán dos pro-teínas o anticuerpos, constituye unproblema complejo que debería re-solverse ex novo en cada caso.
Otro de los motivos que nos im-pulsan a trabajar con ADN es la
sencillez con que se sintetiza, talha sido el progreso del utillaje.Disponemos de un repertorio de en-zimas que permiten la manipulaciónde este ácido nucleico: enzimas derestricción, que seccionan el ADNen puntos determinados, o ligasas,que catalizan la unión de dos molé-culas mediante enlaces covalentes(enlaces químicos muy robustos ba-sados en la compartición de paresde electrones entre átomos). Estasherramientas se utilizan para sin-tetizar y manipular ADN común,pero también versiones modifica-das que incorporan bases distintasde las cuatro habituales, o que por-tan, ancladas en el armazón de ladoble hélice, moléculas adiciona-les. El ADN resulta idóneo para laobtención de tales derivados, por-que cada uno de sus nucleótidoscuenta con puntos de anclaje. Losinvestigadores dedicados a las apli-caciones terapéuticas de los ácidos
nucleicos (ARN y ADN) ya han sin-tetizado numerosas variantes.
Podemos, por último, promoverque el ADN forme estructuras dis-tintas de la clásica doble hélice.(Lo detallaremos más adelante.)Merced a la transición desde una es-tructura de ADN hacia otra, se cons-truyen pinzas, ejes rotatorios y demásdispositivos nanomecánicos de pa-rejo tenor. Aunque tales objetos deADN deben construirse en un entor-no acuoso, no hay ningún problemaen deshidratarlos una vez termina-dos (sobre mica, por ejemplo), igualque hacemos cuando los prepara-mos para obtener sus imágenes mi-croscópicas.
Estructuras poliédricasAntes de acometer un programa deinvestigación científica, el primerpaso a dar es asegurar la viabili-dad del proyecto. Así procedieronJunghuei Chen, actualmente en la
10 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, agosto, 2004
Macromolécula
3. EL GRABADO DE ESCHER PROFUNDIDAD (derecha) le inspiróal autor la idea de una estructura basada en puntos de ramifi-cación de seis brazos, interconectados para formar un cristalmolecular tridimensional (arriba). Cada pez equivale a una cruzde seis brazos, en la que los brazos se han sustituido por ras-gos anatómicos: una cabeza y una cola, una aleta dorsal y unaventral, y una aleta derecha y otra izquierda. Un andamiaje de este tipo podría alojar nanounidades en una distribución regular. Así,jaulas de ADN podrían albergar macromoléculas biológicas orientadas �con el objetivo de formar cristales aptos para las técnicas cris-talográficas� u organizar componentes nanoelectrónicos para crear diminutos dispositivos de memoria.
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