El panorama cambiante de la nanotecnología del ADN
Los científicos han descrito el ADN como el modelo para la vida. La nanotecnología del ADN ha demostrado ser una herramienta poderosa en muchos campos de la ciencia y la tecnología, incluida la nanoelectrónica, la computación molecular, la biomedicina y la detección química. Este artículo se centra en las aplicaciones futuristas asociadas con la nanotecnología del ADN.
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Breve descripción de la nanotecnología del ADN
La nanotecnología de ADN implica el desarrollo de genomas de ADN sintético. Debido a sus propiedades químicas y estructurales únicas, el ADN se utiliza como material programable para la síntesis controlada de nanoestructuras de ADN artificial. Estas nanoestructuras poseen muchas propiedades esenciales, incluidas funciones programables, tamaño controlable y biocompatibilidad.
Durante la última década, el campo de la nanotecnología del ADN ha avanzado constantemente en la investigación computacional y experimental. A diferencia de los nanomateriales convencionales, las nanoestructuras de ADN tienen varias ventajas; por ejemplo, son no citotóxicos, biocompatibles y biodegradables. Los científicos pueden ajustar la superficie de las nanoestructuras de ADN de forma controlada con especificidad molecular.
Las nanoestructuras de ADN, especialmente el origami de ADN, pueden ensamblarse en una forma y tamaño precisos y, por lo tanto, modificarse para las funciones biológicas deseadas. El origami de ADN se basa en el plegamiento de cadenas largas únicas de ADN en una forma deseable a nanoescala mediante la hibridación con cadenas de fibras cortas compuestas de secuencias únicas.
Nanotecnología de ADN y aplicaciones futuras
La nanotecnología del ADN se ha utilizado ampliamente para desarrollar nuevas terapias, biosensores, bioimágenes y muchas estrategias computacionales. La evolución de la nanotecnología, particularmente la nanotecnología del ADN, ha cambiado el panorama actual de la biología. Por ejemplo, el ADN está siendo explotado más allá del ámbito de la genética.
La era de la información actual ha visto una cantidad abrumadora de generación de datos digitales, que deben preservarse para que el conocimiento no se pierda y las generaciones futuras puedan acceder a él. El ADN sintético tiene el potencial para muchas aplicaciones novedosas, algunas de las cuales se analizan a continuación:
Tecnología digital
Los científicos creen que la nanotecnología del ADN juega un papel importante en la preservación de la información biológica del pasado para que los científicos puedan rastrear la historia evolutiva, identificar individuos a partir de restos de 530 años, rastrear la propagación de brotes de enfermedades pasadas y más.
En las últimas décadas, se han producido avances significativos en el campo de la tecnología de datos, como la transmisión, el procesamiento y el almacenamiento de información. Los científicos creen que el uso del ADN para almacenar información podría ser el próximo avance tecnológico revolucionario en el almacenamiento y la comunicación de datos.
En comparación con las plataformas ópticas y magnéticas actuales, el ADN tiene una capacidad de almacenamiento de datos 1 000 000 veces mayor. Un estudio ha demostrado que el ADN sintético ofrece mantenimiento de datos estáticos.
En pocas palabras, los datos almacenados en el ADN sintético no están sujetos a secuencias no deseadas o cambios evolutivos. Estos datos no son accesibles de forma remota a través del servicio de Internet.
Los datos almacenados en el ADN se pueden almacenar durante cientos de años; por ejemplo, un hueso fosilizado con una vida media de 521 años puede almacenar información importante. Los científicos han completado la secuenciación completa de un antiguo caballo que vivió hace entre 560.000 y 780.000 años. Los estudios han predicho que los datos digitales almacenados en el ADN se pueden recuperar después de más de dos millones de años.
Los científicos han revelado que los datos codificados en el ADN se pueden reproducir de forma exponencial, rápida y rentable utilizando métodos de amplificación de polimerasa. Es importante señalar que el ADN sintético como unidad de almacenamiento de información no sufre de obsolescencia tecnológica. Por otro lado, la rápida evolución de las tecnologías digitales requiere la actualización constante de los dispositivos electrónicos.
comunicación de ADN
En 1999, el Dr. Carter Bancroft y sus colegas demostraron que el ADN podía utilizarse para la comunicación. En la comunicación de datos, la seguridad de los datos es más importante que la velocidad. Actualmente, la transferencia de información al ADN es un proceso largo y laborioso. Sin embargo, el ADN sintético puede almacenar información cifrada, similar a la comunicación digital.
Una de las principales ventajas de usar ADN en la comunicación de datos es que es invisible a simple vista. Además, solo una persona cualificada puede extraer datos del ADN. Por lo tanto, el ADN se puede utilizar como un medio de comunicación discreto con los más altos niveles de seguridad para la transferencia de información crucial. Es importante tener en cuenta que la información se puede incorporar de dos maneras, es decir, como una secuencia directa y como una arquitectura 3D de moléculas de ADN ensambladas.
Bancroft y sus colegas revelaron que el ADN se puede usar para mensajes encriptados. Construyeron una clave de cifrado basada en una tabla de sustitución que codificaba «INVASIÓN DEL 6 DE JUNIO: NORMANDÍA». Este código se aseguró aún más mezclando la secuencia de ADN codificada con ADN no codificante. El concepto es similar a la esteganografía. El mensaje de ADN se almacenó en un micropunto impreso, que podía leerse mediante amplificación y secuenciación por PCR. Este concepto también fue mejorado en los próximos años por otros científicos.
ADN para el almacenamiento de datos a largo plazo
Los estudios han indicado que la alta capacidad y la estabilidad química del ADN lo convierten en un candidato ideal para almacenar información durante un período prolongado. Para demostrar la función del ADN como dispositivo de almacenamiento de datos a largo plazo, el Dr. George Church y su colega codificaron un libro que contenía 53.426 palabras e imágenes y lo almacenaron en el ADN. Del mismo modo, los científicos también han logrado convertir archivos html digitales de bits a bases, mediante el método de sustitución. Además, los formatos de archivo PDF, JPEG y MP3 también se almacenaron en DNA, lo que requirió casi 757 kB de espacio de almacenamiento. Los investigadores convirtieron códigos numéricos en bases y los almacenaron en el ADN. Descubrieron que la información era estable en diferentes condiciones de manejo.
Los científicos compararon varias plataformas de almacenamiento de ADN con códigos cifrados y observaron que el ADN encapsulado en una esfera de sílice proporcionaba condiciones de almacenamiento favorables. De hecho, la sílice proporciona una barrera física entre el agua y el ADN y contribuye a la estabilidad a largo plazo.
Perspectivas de futuro
Los científicos han revelado que, en el futuro, el concepto de código de barras de ADN podría usarse de manera efectiva para rastrear alimentos y productos agrícolas con fines de autenticación. Además, varios estudios han indicado que el ADN puede cumplir potencialmente con los futuros requisitos de almacenamiento de datos. En este sentido, se necesita más investigación para convertirlo en un medio rentable y fácil de usar. Hay muchas oportunidades para la innovación en tecnologías, métodos de síntesis química y mejora de la seguridad de los datos mediante el desarrollo de metodologías de esteganografía y criptografía específicas del ADN.
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Referencias y lecturas adicionales
Yang, Q et al. (2022). Avances recientes en nanoestructuras de ADN autoensambladas para bioimagen. UNBiomateriales aplicados CS. https://doi.org/10.1021/acsabm.2c00128
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