Una técnica de imagen avanzada revela nuevos detalles estructurales de S-DNA, ADN en forma de escalera que se forma cuando la molécula experimenta una tensión extrema. Este trabajo realizado en Sandia National Laboratories y la Universidad de Vrije en los Países Bajos proporciona la primera evidencia experimental de que el S-DNA contiene pares de bases muy inclinados.

El emparejamiento y el apilamiento predecibles de los pares de bases de ADN ayudan a definir la forma de doble hélice de la molécula. Comprender cómo se realinean los pares de bases cuando se estira el ADN podría proporcionar información sobre una variedad de procesos biológicos y mejorar el diseño y el rendimiento de los nanodispositivos construidos con ADN. Los pares de bases inclinados en S-DNA estirado se han predicho previamente mediante simulaciones por computadora, pero nunca demostrado de manera concluyente en experimentos hasta ahora, según un artículo reciente de Science Advances.

El ADN se conoce más comúnmente como el portador molecular de información genética. Sin embargo, en laboratorios de investigación de todo el mundo, también tiene otro uso:material de construcción para dispositivos a nanoescala. Para hacer esto, los científicos preparan secuencias generadas por computadora de ADN monocatenario para que ciertas secciones formen pares de bases con otras secciones. Esto obliga a la hebra a doblarse y doblarse como origami. Los investigadores han utilizado este principio para doblar el ADN en caritas sonrientes microscópicas, nanomáquinas con bisagras y pistones móviles y materiales "inteligentes" que se ajustan espontáneamente a los cambios en el entorno químico circundante.

"Para construir un avión o un puente, es importante conocer la estructura, fuerza y ​​elasticidad de cada material que se utilizó, "dijo Adam Backer, un científico óptico en Sandia y autor principal del estudio. "Lo mismo ocurre cuando se diseñan nanoestructuras con ADN".

Si bien se sabe mucho sobre las propiedades mecánicas de la doble hélice del ADN, Sigue habiendo misterios sobre los detalles de su forma cuando la molécula se estira en un laboratorio para formar la estructura en forma de escalera del S-DNA. Las formas estándar de visualizar la estructura del ADN no pueden rastrear los cambios estructurales mientras la molécula se desenrolla.

Ver ADN estirado

Para caracterizar la estructura y elasticidad del S-DNA, Backer trabajó con colegas del grupo de investigación Física de sistemas vivos en LaserLaB Amsterdam en la Universidad de Vrije. Los investigadores describieron su proceso en el artículo de la revista. Utilizando instrumentación desarrollada por sus colegas, Backer primero unió una cuenta microscópica a cada extremo de un trozo corto de ADN viral. Estas perlas sirvieron como mangos para manipular una sola molécula de ADN.

Próximo, los investigadores atraparon el ADN con cuentas en una cámara estrecha llena de líquido utilizando dos rayos láser bien enfocados. Debido a que las perlas quedan atrapadas dentro de los rayos láser, los investigadores pudieron mover las perlas en la cámara redirigiendo los rayos láser. Esto les permitió estirar el ADN adjunto para formar S-ADN. Esta técnica para manipular partículas microscópicas, llamadas pinzas ópticas, también proporcionó un control preciso sobre la cantidad de fuerza de estiramiento aplicada a una sola molécula de ADN.

Sin embargo, los cambios estructurales que ocurren dentro de la molécula de ADN estirada eran demasiado pequeños para ser observados directamente con un microscopio óptico estándar. Para abordar este desafío, Backer ayudó a sus colegas a combinar un método de obtención de imágenes llamado microscopía de polarización de fluorescencia con el instrumento de pinzas ópticas. Primero, agregaron pequeño, moléculas de colorante fluorescente en forma de varilla a la solución que contiene ADN atrapado ópticamente. En ADN sin estirar, las moléculas de colorante se intercalan entre conjuntos vecinos de pares de bases y se alinean perpendicularmente al eje central de la doble hélice. Si una fuerza de estiramiento hace que los pares de bases de ADN se incline, los tintes también se inclinarían.

Próximo, los investigadores utilizaron las señales fluorescentes de los tintes para determinar si los pares de bases en el ADN estirado se inclinaban. Los tintes fluorescentes emiten luz fluorescente verde cuando interactúan con ondas de luz de un rayo láser que apunta a lo largo del mismo eje que las moléculas del tinte. Los investigadores cambiaron la orientación de las ondas de luz al girar la polarización de un rayo láser en varios ángulos. Luego, estiraron el ADN y observaron la aparición de señales fluorescentes verdes bajo el microscopio. De estas medidas, y métodos de análisis computacional desarrollados en Sandia, los investigadores determinaron que los tintes, y así los pares de bases, alineado en un ángulo de 54 grados con respecto al eje central del ADN.

"Este experimento proporciona la evidencia más directa hasta la fecha que apoya la hipótesis de que el ADN-S contiene pares de bases inclinados, ", dijo Backer." Para obtener esta comprensión fundamentalmente nueva del ADN, era necesario combinar una serie de tecnologías de vanguardia y reunir a científicos de una variedad de disciplinas técnicas diferentes para trabajar hacia un objetivo común ".

Existe una especulación generalizada entre los científicos de que las estructuras que se asemejan al ADN-S pueden formarse durante las actividades diarias de las células humanas. pero, en el presente, el propósito biológico del S-DNA aún se desconoce. El S-DNA podría facilitar la reparación del ADN dañado o roto, ayudando a protegerse contra la muerte celular y el cáncer. Backer espera que esta comprensión más clara de los principios físicos que rigen la deformación del ADN sirva de guía para futuras investigaciones sobre el papel del S-ADN en las células.

Cuando Backer se unió a Sandia como Truman Fellow en noviembre de 2016, tuvo la oportunidad de iniciar un programa de investigación independiente de su propio diseño. Había desarrollado un método para la microscopía de polarización durante la escuela de posgrado en la Universidad de Stanford y pensó que la técnica tenía potencial. Backer dijo:"En Sandia quería llevar esta técnica lo más lejos posible. El hecho de que este trabajo haya dado lugar a resultados con potencial relevancia para campos como la biología y la nanotecnología ha sido extraordinario".