Si bien el ADN a menudo se idealiza como la "molécula de la vida, "También es un polímero altamente sofisticado que se puede utilizar para materiales de próxima generación. Más allá del hecho de que puede almacenar información, Otros aspectos fascinantes del ADN son sus propiedades geométricas y topológicas, como anudado y superenrollado. En efecto, muy parecido a un cable telefónico retorcido, El ADN a menudo se encuentra enrollado dentro de bacterias y otras células e incluso anudado en virus. Ahora, una colaboración de científicos de las Universidades de Edimburgo, San Diego y Viena han comenzado a aprovechar estas propiedades para elaborar fluidos complejos basados ​​en ADN y materiales blandos "topológicamente sintonizables" con aplicaciones potenciales en la administración de fármacos y la regeneración de tejidos, como se publicó en Avances de la ciencia .

La conocida forma de doble hélice del ADN tiene profundas implicaciones en su comportamiento. Una molécula de ADN lineal, que es una molécula de ADN con dos extremos, Puede girar y girar libremente. Por el contrario, Unir los dos extremos para formar un círculo de ADN implica que cualquier torsión superior o inferior de la doble hélice permanece "topológicamente bloqueada, " es decir., el giro extra no se puede eliminar sin cortar la molécula. Los giros excesivos o insuficientes tienen consecuencias interesantes sobre cómo se organizan las moléculas de ADN en el espacio, en particular, se enrollan y abrochan sobre sí mismos de manera muy similar a un viejo cable telefónico en las denominadas conformaciones superenrolladas (Fig. 1). El pandeo del ADN alivia el estrés de la torsión por encima / por debajo, y por lo tanto disminuye el tamaño total de la molécula. Por esta razón, se cree que el superenrollamiento es un mecanismo natural empleado por las células para empaquetar su genoma en espacios diminutos. Mientras que el tamaño más pequeño conduce naturalmente a una difusión más rápida de las moléculas de ADN en solución, p. en agua oa través de poros de gel, debido a la menor resistencia, este comportamiento bien entendido no ocurre cuando muchas moléculas de ADN están empaquetadas y entrelazadas como espaguetis en un cuenco.

"Hemos realizado simulaciones por ordenador a gran escala de soluciones densas de moléculas de ADN con diferentes grados de superenrollamiento y hemos encontrado varios resultados sorprendentes, "explica Jan Smrek de la Universidad de Viena, el primer autor del estudio. "A diferencia del caso diluido, cuanto más superenrollados estén los anillos de ADN, cuanto mayor sea su tamaño ". Dado que las moléculas deben evitarse entre sí, sus formas adoptan conformaciones fuertemente asimétricas y ramificadas que ocupan más volumen que sus contrapartes no superenrolladas. Curiosamente, y contrariamente a lo esperado, "las moléculas de ADN más grandes aún producen una difusión más rápida". La difusión más rápida significa que la solución tiene menor viscosidad.

Las moléculas de ADN superenrollado que se encuentran de forma natural en las bacterias se conocen como plásmidos. En vivo, las células tienen proteínas especiales llamadas topoisomerasa que pueden reducir la cantidad de superenrollamiento en los plásmidos. "Gracias a estas proteínas, que pueden purificarse y usarse en el laboratorio, podemos controlar el grado de superenrollamiento en plásmidos de ADN entrelazados y estudiar su dinámica utilizando tintes fluorescentes. Nos sorprendió descubrir que, Por supuesto, Plásmidos de ADN que fueron tratados con topoisomerasa, y, por tanto, con bajo superenrollamiento, son más lentos que sus homólogos altamente superenrollados, "explica Rae Robertson Anderson, quien dirigió los experimentos en la Universidad de San Diego.

Para explicar la sorprendente dinámica más rápida, los científicos utilizaron simulaciones a gran escala en supercomputadoras para cuantificar qué tan entrelazadas están las moléculas en las soluciones. Si bien se sabe que un polímero en forma de anillo, bastante similar a un plásmido de ADN circular, puede ser enhebrado por otro anillo, lo que significa que este último puede atravesar el ojo del primero, no se sabía cómo este tipo de entrelazamiento impacta el movimiento del ADN superenrollado. Gracias a las simulaciones, los científicos encontraron que un alto grado de superenrollamiento disminuye el área penetrable de cada molécula, lo que resulta, Sucesivamente, en menos hilos entre los plásmidos y finalmente produciendo una solución con menor viscosidad. Sin embargo, los plásmidos aún podrían envolverse entre sí y restringir el movimiento de los demás sin enhebrar. Todavía, el superenrollamiento refuerza las conformaciones y, por lo tanto, las hace menos propensas a doblarse y entrelazarse con fuerza, lo que también reduce este tipo de enredo.

Davide Michieletto de la Universidad de Edimburgo dice:"No solo encontramos estos efectos novedosos en simulaciones, pero también demostramos estas tendencias experimentalmente y desarrollamos una teoría que las describe cuantitativamente. Al cambiar el superenrollamiento, podemos ajustar la viscosidad de estos fluidos complejos a voluntad. Ahora entendemos mucho mejor la conexión entre la geometría adaptativa de las moléculas y las propiedades del material resultante. Esto no solo es emocionante desde la perspectiva fundamental, pero también promete aplicaciones útiles. Usando enzimas dedicadas, como la topoisomerasa, se pueden diseñar materiales blandos basados ​​en ADN intercambiables con propiedades ajustables ".