Una nueva técnica para leer el código del ADN se basa en una propiedad fundamental de la materia conocida como túnel cuántico. que opera a escala subatómica. El artículo actual muestra que las bases individuales dentro de una cadena de ADN se pueden leer con tunelización, sin interferencia de bases vecinas, señalando el camino hacia el bajo costo, secuenciación rápida de ADN.

La torsión La forma en forma de escalera de la molécula de ADN, el plano arquitectónico de la vida, contiene un universo de información fundamental para la salud humana. Se ha invertido un enorme esfuerzo en descifrar el código genético, incluso, más famoso, el Proyecto Genoma Humano. Sin embargo, el proceso de leer unas tres mil millones de "letras" de nucleótidos para revelar el genoma completo de un individuo sigue siendo una tarea costosa y compleja.

Ahora el biofísico Stuart Lindsay, del Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona, ha demostrado una técnica que puede conducir a lectura de bajo costo de genomas completos, mediante el reconocimiento de las unidades químicas básicas:las bases de nucleótidos que forman la doble hélice del ADN. Una técnica asequible para la secuenciación del ADN sería un gran avance para la medicina, permitir el cribado genómico clínico de rutina con fines de diagnóstico; el diseño de una nueva generación de productos farmacéuticos personalizados; e incluso modificaciones genómicas para mejorar la resistencia celular a infecciones virales o bacterianas.

Lindsay es profesora de ASU Regents y presidenta presidencial de Física y Química de Carson, así como directora del Centro de Biofísica de Moléculas Únicas del Instituto Biodesign. La investigación de su grupo aparece en el número actual de la revista Nanotecnología de la naturaleza .

La técnica de Lindsay para leer el código del ADN se basa en una propiedad fundamental de la materia conocida como túnel cuántico. que opera a escala subatómica. Según la teoría cuántica, Las partículas elementales como los electrones pueden hacer cosas muy extrañas y contrarias a la intuición, desafiando las leyes clásicas de la física. Tal sub-atómico, las entidades cuánticas poseen tanto una partícula como una naturaleza ondulatoria. Parte de la consecuencia de esto es que un electrón tiene alguna probabilidad de moverse de un lado de una barrera al otro, independientemente de la altura o el ancho de dicha barrera.

Notablemente, un electrón puede lograr esta hazaña, incluso cuando la energía potencial de la barrera excede la energía cinética de la partícula. Tal comportamiento se conoce como tunelización cuántica, y el flujo de electrones es una corriente de efecto túnel. La tunelización se limita a distancias pequeñas, tan pequeñas que una unión de túnel debería poder leer una base de ADN (hay cuatro de ellas en el código genético, A, T, C y G) a la vez sin interferencia de bases flanqueantes. Pero la misma sensibilidad a la distancia significa que las vibraciones del ADN, o moléculas de agua intervinientes, arruinar la señal de tunelización. Entonces, el grupo de Lindsay ha desarrollado "moléculas de reconocimiento" que se "agarran" de cada base a su vez, agarrando la base contra los electrodos que leen la señal. A este nuevo método lo llaman "túnel de reconocimiento".

El artículo actual en Nature Nanotechnology muestra que las bases individuales dentro de una cadena de ADN se pueden leer con tunelización, sin interferencia de bases vecinas. Cada base genera una señal electrónica distinta, picos de corriente de un tamaño y frecuencia particulares que sirven para identificar cada base. Asombrosamente, la técnica incluso reconoce un pequeño cambio químico que la naturaleza usa a veces para afinar la expresión de los genes, el llamado código "epigenético". Si bien el código genético de un individuo es el mismo en todas las células, el código epigenético es específico de tejido y célula y, a diferencia del genoma en sí, el epigenoma puede responder a cambios ambientales durante la vida de un individuo.

Para leer longitudes más largas de ADN, El grupo de Lindsay está trabajando para acoplar la lectura del túnel a un nanoporo, un pequeño orificio a través del cual se arrastra el ADN, una base a la vez, por un campo eléctrico. El artículo de Nature Nanotechnology también tiene algo que decir sobre este problema. "Siempre se ha creído que el problema de pasar el ADN a través de un nanoporo es que pasa tan rápido que no hay tiempo para leer la secuencia", dice Lindsay. Asombrosamente, las señales de tunelización reportadas en el Nanotecnología natural el papel dura mucho tiempo, casi un segundo por lectura base.

Para probar este resultado, Lindsay se asoció con un colega, Robert Ros, para medir la fuerza que uno tiene que tirar para romper el complejo de una base de ADN más las moléculas de reconocimiento. Hicieron esto con un microscopio de fuerza atómica. "Estas mediciones confirmaron la larga vida útil del complejo, y también demostró que el tiempo de lectura podría acelerarse a voluntad mediante la aplicación de una pequeña fuerza de tracción adicional ", dice Ros." Por lo tanto, el escenario está listo para combinar lecturas de túnel con un dispositivo que pasa el ADN a través de un nanoporo ", dice Lindsay.

Secuenciación mediante tunelización de reconocimiento, si tiene éxito para la lectura del genoma completo, podría representar un ahorro sustancial en costos y, con suerte, a tiempo también. Los métodos existentes de secuenciación de ADN generalmente se basan en cortar la molécula completa en miles de bits de componentes, cortando la escalera de las bases complementarias y leyendo estos fragmentos. Más tarde, las piezas deben volver a ensamblarse meticulosamente, con la ayuda de una potencia informática masiva. "La lectura directa del código epigenético es la clave para comprender por qué las células de diferentes tejidos son diferentes, a pesar de tener el mismo genoma ", agrega Lindsay, una referencia a la nueva capacidad de leer modificaciones epigenéticas con tunelización.

Lindsay enfatiza que queda mucho trabajo por hacer antes de que la aplicación de la secuenciación por reconocimiento pueda convertirse en una realidad clínica. "Ahora, solo podemos leer dos o tres bases cuando la sonda de túnel se desplaza sobre ellas, y algunas bases se identifican con mayor precisión que otras, ", dice. Sin embargo, el grupo espera que esto mejore a medida que se sinteticen las generaciones futuras de moléculas de reconocimiento.

"La física básica ahora está demostrada", dice Lindsay, y agregó que "quizás pronto sea posible incorporar estos principios en chips de computadora producidos en masa". El día del "genoma en una computadora portátil" podría llegar antes de lo que se creía posible.