Una ilustración de cómo el ADN marcado con fluorescencia interactúa con el grafeno funcionalizado. Tanto el ADN monocatenario (A) como el ADN bicatenario (B) se adsorben en una superficie de grafeno, pero la interacción es más fuerte con ssDNA, provocando que la fluorescencia en el ssDNA se oscurezca más. C) Un ADN complementario se acerca al ssDNA y hace que el ssDNA adsorbido se desprenda de la superficie del grafeno. D) El ADN adsorbido en el grafeno está protegido contra la degradación de las enzimas.
(PhysOrg.com) - El grafeno y el ADN se pueden combinar para crear un biosensor estable y preciso, informa un estudio publicado en la revista de nanotecnología Small. El pequeño biosensor podría eventualmente ayudar a los médicos e investigadores a comprender y diagnosticar mejor la enfermedad.
Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía y la Universidad de Princeton demostraron que el ADN monocatenario interactúa fuertemente con el grafeno, un nanomaterial formado por láminas de átomos de carbono de un solo átomo de espesor. También encontraron que el grafeno evita que el ADN sea degradado por enzimas similares a las que se encuentran en los fluidos corporales, una característica que debería hacer que los biosensores de grafeno-ADN sean muy duraderos.
"El grafeno es de gran interés porque tiene varias características únicas, incluyendo ser fácil y relativamente económico de hacer, "dijo el químico de PNNL Yuehe Lin, autor correspondiente del artículo. "Pero muy pocos habían explorado sistemáticamente cómo interactuaba el grafeno con el ADN utilizando múltiples técnicas espectroscópicas hasta que echamos un vistazo. Descubrimos que forman una gran pareja".
Los científicos han estado explorando el potencial de la nanotecnología, o materiales diminutos que tienen solo una milmillonésima parte de un metro de tamaño, durante varias décadas. Un número creciente de científicos se centra en el grafeno porque es superconductor, es excepcionalmente fuerte y tiene una gran superficie. También es más fácil de fabricar y usar que otros nanomateriales, como los nanotubos de carbono. La nanotecnología podría ayudar a crear nuevos medicamentos, entregar medicamentos y desarrollar biosensores de detección de enfermedades.
Un biosensor de grafeno-ADN detectaría enfermedades al buscar moléculas involucradas en la enfermedad. Como ensartar un gusano en un anzuelo, los científicos colocarían el ADN de un gen que se sabe que contribuye al desarrollo de una enfermedad en una pieza de grafeno. Luego, los investigadores sumergirían el gancho biosensor en sangre tratada, saliva u otro fluido corporal. Si el ADN del gen que causa la enfermedad está en el líquido y muerde el anzuelo, el biosensor emite una señal que los científicos pueden detectar.
La naturaleza bicatenaria del ADN de nuestros genes hace posible este esquema de pesca. El ADN de doble hebra normal parece una escalera retorcida. Pero el ADN monocatenario parece un peine:está formado por una secuencia de letras de ADN, o bases, que sobresalen de la columna vertebral y que buscan otra base con la que emparejarse. Cuando las secuencias complementarias en el ADN monocatenario se encuentran, las bases forman los peldaños de la escalera retorcida.
Diseñar biosensores de ADN-grafeno, los científicos deben comprender cómo interactúan el ADN y el grafeno. Lin y colegas, incluido el autor principal y entonces investigador postdoctoral del PNNL, Zhiwen Tang, adjuntó una molécula fluorescente al ADN que brilla cuando el ADN flota libremente para seguir al ADN en los tubos de ensayo. Próximo, mezclaron el ADN brillante y el grafeno. El ADN monocatenario se atenuó cuando entró en contacto con el grafeno. Pero el brillo del ADN de doble hebra disminuyó solo ligeramente en las mismas condiciones. Un análisis más detallado con varias pruebas de espectroscopia mostró que la interacción del grafeno con el ADN monocatenario es mucho más fuerte que con su primo bicatenario. Las pruebas también sugirieron que el grafeno alteró la estructura del ADN monocatenario.
Para averiguar si el ADN monocatenario podría extraerse del grafeno haciéndolo bicatenario, los investigadores agregaron llano, ADN monocatenario que tenía una secuencia complementaria de bases de ADN. El ADN monocatenario original volvió a brillar. Esto indicó que la hebra única original de ADN se había combinado con la hebra de ADN añadida y formó una nueva molécula que se desprendió de la superficie del grafeno.
Luego, los científicos probaron cuán exigente era el ADN monocatenario del grafeno con respecto a las parejas. Colocaron los biosensores de grafeno-ADN en dos tubos de ensayo diferentes. En uno, agregaron una hebra de ADN complementaria con bases que coincidían perfectamente con el ADN ya adherido al grafeno. En el otro, colocaron una hebra de ADN complementaria que tenía una base que no se emparejaba con la hebra de ADN original en la superficie del grafeno.
Ambos emitieron más luz después de que se introdujo el ADN complementario. Pero la luz del tubo con las hebras de ADN perfectamente emparejadas era dos veces más brillante que la del tubo con las hebras de ADN ligeramente desiguales. La capacidad de identificar si se ha encontrado una hebra de ADN diana dentro de una coincidencia de bases, llamada alta especificidad, debería hacer que los biosensores de grafeno-ADN sean más precisos que otros. biosensores lineales convencionales de ADN, escribieron los científicos.
El grafeno también ayuda a que el ADN sea duradero, los científicos aprendieron. Colocaron dos tipos de ADN monocatenario:uno que estaba unido al grafeno, y otro que flotaba libremente, en tubos de ensayo. Agregaron ADNsa, una enzima que mastica el ADN, a ambos y descubrieron que las hebras de ADN libres se descompusieron. mientras que las nanoestructuras de grafeno-ADN permanecieron intactas durante al menos 60 minutos. Los científicos sugirieron que esta protección podría generar plataformas de ADN-grafeno que sean adecuadas para la obtención de imágenes y la entrega de genes en pacientes.
"El diseño simple y la tremenda durabilidad de los biosensores de ADN de grafeno hacen posible el diagnóstico de enfermedades potencialmente mortales con ellos, ", Dijo Lin." Ahora mis colegas y yo veremos si la capacidad del grafeno para proteger el ADN contra las enzimas podría ayudar a las estructuras de ADN-grafeno a administrar medicamentos a las células enfermas o incluso ayudar en la terapia génica ".
La Universidad de Princeton proporcionó el grafeno y la Iniciativa de Ciencia de Materiales Transformacionales de PNNL pagó por este estudio. Parte de la investigación se llevó a cabo en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación nacional de usuarios científicos ubicada en PNNL.
