Una pequeña «mano» de cuatro dedos formada a partir de una sola pieza de ADN puede detectar el virus que causa el COVID-19 para una detección rápida altamente sensible e incluso puede bloquear la entrada de partículas virales a las células para infectarlas, Universidad de Illinois Urbana-Champaign informan los investigadores. La mano nanorobótica, denominada NanoGripper, también podría programarse para interactuar con otros virus o para reconocer marcadores de la superficie celular para la administración dirigida de medicamentos, como por ejemplo para el tratamiento del cáncer.
Dirigidos por Xing Wang, profesor de bioingeniería y química de la U. de I., los investigadores describen su avance en la revista Robótica científica.
Inspirándose en el poder de agarre de la mano humana y las garras de los pájaros, los investigadores diseñaron el NanoGripper con cuatro dedos flexibles y una palma, todo en una nanoestructura plegada a partir de una sola pieza de ADN. Cada dedo tiene tres articulaciones, como un dedo humano, y el ángulo y el grado de flexión están determinados por el diseño de la estructura de ADN.
«Queríamos crear un robot de material blando a nanoescala con funciones de agarre nunca antes vistas, para interactuar con células, virus y otras moléculas para aplicaciones biomédicas», dijo Wang. «Estamos utilizando ADN por sus propiedades estructurales. Es fuerte, flexible y programable. Sin embargo, incluso en el campo del origami de ADN, esto es novedoso en términos del principio de diseño. Doblamos una larga hebra de ADN hacia adelante y hacia atrás para hacer todo los elementos, tanto los estáticos como los móviles, en un solo paso.»
Los dedos contienen regiones llamadas aptámeros de ADN que están especialmente programadas para unirse a objetivos moleculares (la proteína de pico del virus que causa el COVID-19, para esta primera aplicación) y hacer que los dedos se doblen para envolver el objetivo. En el lado opuesto, donde estaría la muñeca, el NanoGripper se puede acoplar a una superficie u otro complejo más grande para aplicaciones biomédicas como detección o administración de fármacos.
Para crear un sensor para detectar el virus COVID-19, el equipo de Wang se asoció con un grupo dirigido por el profesor de ingeniería eléctrica e informática de Illinois, Brian Cunningham, que se especializa en biodetección. Combinaron el NanoGripper con una plataforma de sensor de cristal fotónico para crear una prueba rápida de COVID-19 de 30 minutos que iguala la sensibilidad de las pruebas moleculares qPCR estándar utilizadas por los hospitales, que son más precisas que las pruebas caseras pero toman mucho más tiempo. .
«Nuestra prueba es muy rápida y sencilla ya que detectamos el virus intacto directamente», dijo Cunningham. «Cuando el virus se sostiene en la mano del NanoGripper, se activa una molécula fluorescente que libera luz cuando se ilumina con un LED o un láser. Cuando una gran cantidad de moléculas fluorescentes se concentran en un solo virus, se vuelve lo suficientemente brillante en nuestro sistema de detección como para Cuente cada virus individualmente.»
Además del diagnóstico, el NanoGripper podría tener aplicaciones en medicina preventiva al impedir que los virus entren e infecten las células, dijo Wang. Los investigadores descubrieron que cuando se añadían NanoGrippers a cultivos celulares que luego fueron expuestos al COVID-19, múltiples pinzas envolvían el exterior de los virus. Esto impidió que las proteínas de pico viral interactuaran con los receptores en la superficie de las células, previniendo la infección.
«Sería muy difícil aplicarlo después de que una persona esté infectada, pero hay una manera de usarlo como terapéutico preventivo», dijo Wang. «Podríamos fabricar un compuesto antiviral en aerosol nasal. La nariz es el punto caliente de los virus respiratorios, como el COVID o la influenza. Un aerosol nasal con NanoGripper podría evitar que los virus inhalados interactúen con las células de la nariz».
El NanoGripper podría diseñarse fácilmente para atacar otros virus, como la gripe, el VIH o la hepatitis B, afirmó Wang. Además, Wang prevé utilizar NaoGripper para la administración selectiva de fármacos. Por ejemplo, los dedos podrían programarse para identificar marcadores de cáncer específicos y las pinzas podrían llevar tratamientos contra el cáncer directamente a las células diana.
«Este enfoque tiene un potencial mayor que los pocos ejemplos que demostramos en este trabajo», afirmó Wang. «Hay algunos ajustes que tendríamos que hacer con la estructura 3D, la estabilidad y los aptámeros o nanocuerpos dirigidos, pero hemos desarrollado varias técnicas para hacer esto en el laboratorio. Por supuesto, requeriría muchas pruebas, pero el Las aplicaciones potenciales para el tratamiento del cáncer y la sensibilidad lograda para las aplicaciones de diagnóstico muestran el poder de la nanorobótica blanda».
Los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias apoyaron este trabajo. Wang y Cunningham están afiliados al Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica y al Laboratorio de Micro y Nanotecnología Holonyak de la U. de I.
Nota del editor: para comunicarse con Xing Wang, envíe un correo electrónico @illinois.edu» title=»mailto:xingw@illinois.edu»>xingw@illinois.edu.
El artículo «DNA NanoGripper de diseño bioinspirado para la detección de virus y la inhibición potencial» está disponible en @aaas.org» title=»mailto:robopak@aaas.org»>robopak@aaas.org. DOI: 10.1126/escirobótico
Este trabajo fue financiado en parte por las subvenciones NIH R21EB031310, R44DE030852 y R21AI166898.
