Litografía basada en ADN con resolución de 10 nm sobre superficies de oro

03 Mayo 2017

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El bioquímico alemán Frederich Miescher abrió la puerta hacia el descubrimiento del ADN en 1869. Pasaron décadas hasta que Rosalind Franklin, Maurice Wilkins, James Watson y Francis Crick descubrieran la estructura de la doble hélice y su importancia como base de la vida. La Real Academia de las Ciencias de Suecia reconoció a estos tres últimos otorgándoles el Premio Nobel de Medicina de 1962.

Figura 1.- Estructura de la doble hélice del ADN

Asun Molina Esquinas

Las fronteras de aplicación del ADN se han extendido más allá de la Bioquímica, no por su papel como almacén de información genética, sino por otras características que proporcionan un amplio abanico de posibilidades. La base de la Nanotecnología parte de sistemas en los que la materia se organiza con precisión en la escala nanométrica. Como en otros muchos campos, la naturaleza es una vez más una fuente de inspiración: desde el flagelo bacteriano hasta los complejos enzimáticos, numerosos sistemas sufren fenómenos de autoensamblaje molecular. En este contexto, en los últimos años ha empezado a pensarse en las moléculas de ADN como bloques para la construcción de futuros nanodispositivos.

Las moléculas de ADN están formadas por la unión de dos hebras constituidas por una secuencia de nucleótidos. Cada nucleótido se compone de un monosacárido (desoxirribosa), una base nitrogenada (que puede ser adenina, timina, citosina o guanina) y un grupo fosfato. Las hebras se unen entre sí de manera específica, gracias a la complementariedad de las bases nitrogenadas que las forman. Tienen diámetros de unos 2 nanómetros y una longitud que puede variarse con facilidad al prepararlas en el laboratorio.

En 2006, Paul Rothemund desarrolló una técnica que permitía obtener diseños caprichosos a partir de ADN. En honor al arte japonés del plegado de papel, la llamó “Origami de ADN”, aunque en este caso el plegado no basta por si solo para sujetar la estructura. El procedimiento parte de una sola hebra larga de ADN que se dobla con la ayuda de otros pequeños fragmentos que contienen las bases nitrogenadas complementarias y actúan como “grapas”. Las formas obtenidas a partir de este ingenioso método van desde simples cuadrados o caras sonrientes en 2D, hasta conejos tridimensionales. La precisión en el diseño estructural conseguida, podría suponer el acercamiento a la nanorobótica a largo plazo. De manera más inmediata, dado que el ADN puede usarse como “pegamento” para acoplar otros nanomateriales o moléculas funcionales, los patrones obtenidos permiten el desarrollo de técnicas de litografía en las que se pueden conseguir estructuras multicomponentes perfectamente organizadas útiles en nanodispositivos como sensores y circuitos.

La integración de estas estructuras plegadas dentro de dispositivos microelectrónicos es una tarea compleja. Recientemente un equipo liderado por Ramón Eritja, jefe de grupo del CIBER-BBN del Instituto de Química Avanzada de Cataluña (IQAC) perteneciente al CSIC, junto a investigadores del grupo de Josep Samitier del IBEC y de la Universidad de Barcelona, han publicado en la revista Advanced Materials un nuevo y sencillo procedimiento que permite la estampación de patrones bidimensionales obtenidos por Origami de ADN en superficies de oro, base habitual de los microdispositivos.

En el procedimiento desarrollado por estos investigadores españoles, primero se obtiene el patrón de Origami de ADN con el método de Rothemund (En esta publicación se ha elegido un patrón lineal de 100 ´ 70 nm para simplificar los análisis, pero podría aplicarse a cualquier geometría). En posiciones predeterminadas, las hebras utilizadas como “grapas” para plegar la estructura, se modifican con grupos tiol (-SH) para que queden adheridos a la superficie de oro. La metodología de estampación para transferir la información del patrón a la superficie de oro consta de tres etapas:

  • ESTAMPADO: El patrón de Origami de ADN se adsorbe sobre la superficie de oro. Los grupos tiol de las “grapas” modificadas reaccionan con la superficie formando un enlace químico que inmoviliza la estructura.
  • DESENMASCARAMIENTO: Se expone la superficie con el patrón inmovilizado sobre ella a una etapa de desnaturalización con hidróxido sódico. Tras el tratamiento, sólo las “grapas” modificadas con los grupos tiol quedan ancladas al oro dibujando la forma deseada. El resto, se desprende debido a que los enlaces químicos que las sostienen nos son capaces de soportar el ataque de la base.
  • DESARROLLO: En el último paso, la formación del patrón se revela mediante nanopartículas de oro funcionalizadas en la superficie con grupos tiol-oligonucleótidos que se unen a las hebras de ADN ancladas sobre el oro.

Figura 2.- Estampado y revelado de un patrón lineal de Origami de ADN sobre una superficie.

Mediante la litografía óptica, que ha sido tradicionalmente la técnica predominante en la estampación de patrones sobre superficies, se consiguen detalles del orden de 32 nm. El método propuesto por los científicos españoles alcanza resoluciones mucho mejores,  por debajo de los 10 nm. Por la “sencillez” del procedimiento y la alta precisión de trabajo, esta promete ser una técnica prometedora en la fabricación de nanodispositivos.

FUENTE: Advanced Materials, 2017, 1603233

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