Científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Maryland están utilizando neutrones en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) para capturar nueva información sobre moléculas de ADN y ARN y permitir simulaciones por computadora más precisas de cómo interactúan con todo, desde proteínas a virus. La resolución de las estructuras tridimensionales de los materiales genéticos fundamentales del cuerpo en solución jugará un papel vital en el descubrimiento y desarrollo de fármacos para tratamientos médicos críticos.

"Una mejor comprensión de la estructura y la dinámica conformacional del ADN y el ARN podría ayudarnos a responder preguntas sobre por qué y cómo funcionan los medicamentos y ayudarnos a ubicar dónde tienen lugar las interacciones clave a nivel atómico, "dijo Alexander Grishaev de NIST, quien dirigió la investigación de dispersión de neutrones realizada en el Reactor de Isótopos de Alto Flujo (HFIR), una instalación de usuario del Departamento de Energía ubicada en ORNL.

El equipo utilizó el instrumento Bio-SANS de HFIR para realizar la dispersión de neutrones de pequeño a gran angular, una técnica que no se había realizado anteriormente en muestras de ADN y ARN en solución debido a las capacidades experimentales limitadas.

"La captura de un rango más amplio de ángulos para biomoléculas en solución usando dispersión de neutrones no ha sido posible hasta hace poco, "dijo Grishaev, "y Oak Ridge es uno de los únicos lugares donde puede hacer este tipo de trabajo".

Ampliar las capacidades de dispersión de neutrones en solución es parte de un esfuerzo de avance hacia un enfoque más integrador en biología estructural que combina estudios de cristales, métodos de solución, y otras técnicas experimentales y computacionales para mejorar la comprensión del ADN y las estructuras de las proteínas.

Las simulaciones por computadora de biomoléculas han sido bien informadas por cristalografía de rayos X. La técnica principal utiliza rayos X para determinar la disposición de los átomos en una muestra que ha sido "cristalizada" para su análisis. Para obtener datos de alta calidad con esta técnica, las muestras de materiales biológicos que normalmente se diluyen en solución se concentran y solidifican en cristales con una estructura uniforme.

La cristalografía de rayos X funciona especialmente bien para biomoléculas rígidas con estructuras más o menos fijas, pero las biomoléculas flexibles como el ADN y el ARN que adoptan múltiples "conformaciones" o formas son menos adecuadas para la cristalización.

Dentro de las células vivas El ADN y el ARN pueden moverse, cambiar formas, y responder de manera diferente a los efectos ambientales como el pH o la temperatura, alteraciones que son importantes de representar pero difíciles de caracterizar.

"La cristalización empaqueta las moléculas firmemente, que limita sus movimientos y enmascara parte de la información estructural que queremos ver, "dijo Grishaev.

Varias técnicas se han aplicado con éxito al ADN y al ARN en solución, incluida la espectroscopia de dispersión de rayos X en solución y de resonancia magnética nuclear (RMN), ambos producen datos importantes. Todavía, Existen discrepancias significativas entre los datos experimentales de dispersión y las mejores estructuras cristalinas disponibles de ADN y ARN.

El equipo recurrió a los neutrones para averiguar por qué.

"Los neutrones interactúan con biomoléculas de manera diferente, para que podamos usarlos como una fuente de datos independiente para validar o definir mejor los modelos que tenemos, ", dijo Roderico Acevedo de Maryland.

Mientras que los rayos X funcionan bien para definir átomos pesados, como el carbono, oxígeno, y fósforo, Los neutrones son ideales para examinar átomos de hidrógeno más ligeros que conectan hebras de ADN, por ejemplo. Adicionalmente, los neutrones ofrecen una ventaja en el sondeo de biomoléculas porque no son destructivos y no las dañan.

Usando el instrumento Bio-SANS en HFIR, los investigadores pudieron recopilar información estructural en una solución que no se puede obtener fácilmente mediante otras técnicas experimentales.

El experimento requirió tanto un alto flujo de neutrones como detectores de gran angular para recolectar patrones de dispersión de mayor precisión para revelar las estructuras de nivel atómico de ADN y ARN en solución.

Usar neutrones para recopilar información estructural sobre biomoléculas no es una hazaña ordinaria, dice Grishaev. Las pequeñas muestras biomoleculares en soluciones diluidas a menudo producen patrones de dispersión ruidosos, dificultando el análisis de los datos.

"El Bio-SANS de HFIR es uno de los pocos instrumentos de neutrones en el mundo con la capacidad de capturar ángulos de dispersión pequeños y amplios simultáneamente, combinando detalles a escala global y local, ", dijo el científico de instrumentos de Bio-SANS, Volker Urban.

"Pudimos obtener algunos de los datos de dispersión de neutrones en solución de mayor precisión jamás recopilados en ángulos amplios, no solo en ADN y ARN, pero en biomoléculas en general, "dijo Grishaev.

Al agregar la nueva información recopilada a través de la dispersión de neutrones en solución a otros datos de la dispersión de rayos X en solución y la espectroscopia de RMN, el grupo NIST-Maryland espera obtener una imagen más completa de las estructuras de ADN y ARN, así como ampliar las vías para definir estructuras moleculares con técnicas basadas en neutrones.