El ADN no es solo el modelo de la vida, se ha convertido en la columna vertebral para fabricar pequeñas estructuras que pueden insertarse en el cuerpo humano para diagnosticar y tratar enfermedades. En particular, Los investigadores están apuntando a una técnica conocida como origami de ADN, en el que ensamblan meticulosamente cientos de hebras de ADN para construir una colección liliputiense de estructuras que podrían incluir contenedores de administración de medicamentos, biosensores y otros dispositivos biocompatibles.

En esfuerzos que prometen mejorar drásticamente este proceso, Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ahora han encontrado una manera de mejorar significativamente la precisión de la información clave sobre cómo el calor afecta la estabilidad de las estructuras de ADN plegadas.

Para funcionar de manera confiable, estas estructuras, sólo unas pocas decenas de nanómetros (mil millonésimas de metro) de longitud, debe ser cuidadosamente moldeado en orden, por ejemplo, para entregar medicamentos a objetivos específicos. Pero las fuerzas (enlaces de hidrógeno) que unen piezas de ADN para formar la conocida doble hélice dependen tanto de la temperatura como de su entorno local.

Para determinar cómo reaccionan las diferentes cadenas de ADN a los cambios de temperatura, los investigadores se basan en una serie de medidas que forman un gráfico conocido como curva de fusión del ADN. La curva revela, por ejemplo, la temperatura a la que la mitad de la hebra se ha "derretido, "o desenredado. También muestra la cantidad de calor que las hebras deben absorber para elevar su temperatura en un grado C. Al revelar estas y otras propiedades térmicas de las hebras, la curva proporciona a los científicos los conocimientos necesarios para diseñar estructuras más complejas hechas de ADN.

Tan importante como es la curva de fusión del ADN, sigue existiendo un problema de larga data para medirlo con precisión. Debido a los efectos de fondo y las fuentes desconocidas de variabilidad, docenas de muestras de ADN idénticas tendrán diferentes curvas de fusión, limitar la capacidad de los científicos para extraer información significativa.

Los investigadores del NIST han diseñado un algoritmo matemático novedoso que da cuenta automáticamente de estos efectos desconocidos, permitiendo a los científicos aprovechar todos los beneficios de la curva de fusión.

Como científicos que han estudiado varias formas de perfeccionar el origami de ADN, Los investigadores del NIST, Jacob Majikes y Alex Liddle, estaban muy familiarizados con las inexactitudes que plagan la curva de fusión del ADN. En principio, si ellos y otros investigadores pudieran reproducir con precisión todas las condiciones de laboratorio en las que midieron la curva, las incertidumbres podrían reducirse.

Pero dadas las diminutas cantidades de ADN en los experimentos, no más grandes que una gota de agua, eso era difícil de hacer en la práctica. Entonces Majikes y Liddle se acercaron a un matemático del NIST, Anthony Kearsley, y su colaborador, Paul Patrone, físico del NIST, con la esperanza de encontrar una solución matemática.

Para Kearsley y Patrone, el desafío era irresistible:la verdadera curva de fusión del ADN estaba oculta en cada conjunto de mediciones; el desafío era encontrar la manera de revelarlo. Ninguna teoría matemática conocida describe completamente la curva de fusión, por lo que los investigadores tuvieron que encontrar una manera de eliminar las incertidumbres en la curva de fusión utilizando solo los datos experimentales. Con tan poca información significaba que tenían que ser creativos.

Al buscar un algoritmo que resuelva este problema, el equipo reconoció que las distorsiones de las verdaderas curvas de fusión del ADN se comportaban de manera sencilla. Es decir, las distorsiones eran similares a un tipo especial de espejo de la casa de la diversión, uno que conservaba el espacio relativo entre los puntos de datos incluso cuando contraía o expandía la curva, y eso permitió que las líneas paralelas permanecieran paralelas. Para intentar corregir esos efectos, los científicos aplicaron una herramienta matemática conocida como transformación afín.

Kearsley y Patrone buscaban una transformación afín particular, una que hiciera que cada conjunto de datos se ajustara a todos los demás, para que se vean esencialmente iguales. Pero para encontrar esa transformación utilizando una técnica conocida como optimización restringida, los científicos tuvieron que alejarse de la pizarra y sumergirse en la mecánica del laboratorio de ADN.

Ni Kearsley ni Patrone habían oído hablar del origami de ADN, por no hablar de las medidas necesarias para montar la curva de fusión. Hicieron docenas de preguntas sobre cada componente del experimento a nanoescala, determinar qué partes eran importantes para modelar y cuáles eran irrelevantes. Después de semanas de cálculos teóricos, Patrone tuvo su primera oportunidad de ver el experimento real. Vio con asombro la configuración del laboratorio, con su matriz de 8x12 de 96 pozos diminutos, cada uno contenía exactamente la misma secuencia de ADN de la que Majikes y Liddle habían registrado 96 curvas de fusión de ADN diferentes.

Armados con datos de laboratorio más que suficientes, Kearsley y Patrone desarrollaron el problema de optimización que pensaron que funcionaría mejor para eliminar los errores. Luego aplicaron el algoritmo a cada una de las 96 curvas y observaron lo que sucedía.

En una pantalla de computadora la multitud de curvas, distorsionado de diferentes maneras, se volvió indistinguible, cada uno trazando la misma forma, altura y puntos finales. Las 96 curvas se colapsaron para convertirse en una sola curva de fusión de ADN.

"Estábamos convencidos de que habíamos resuelto el problema, ", dijo Kearsley. Los investigadores informan sus hallazgos en el Volumen 607 de Bioquímica analítica .

Los científicos han utilizado el origami de ADN para fabricar nanorobots que realizan operaciones informáticas y tareas preprogramadas dentro de los organismos vivos. También han confiado en el origami de ADN para crear recipientes de administración de medicamentos en miniatura que se abren solo cuando identifican y se adhieren a las células infectadas.

El equipo ahora está haciendo correr la voz sobre el éxito de su solución, alertando a los investigadores que realizan origami de ADN de que es posible medir con precisión la curva de fusión y guiar el crecimiento de las estructuras de origami de ADN. Igual de importante, dijo Patrone, la misma técnica podría aplicarse a otros problemas biofísicos en los que los datos verdaderos se ven oscurecidos por tipos de errores similares. Los investigadores están estudiando cómo mejorar la precisión de los experimentos en los que las células humanas fluyen a través de diminutos detectores de detección de cáncer.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.