(Phys.org) —En la década de 1960, El premio Nobel Pierre-Gilles de Gennes postuló que algún día los investigadores podrían probar sus teorías de las redes de polímeros mediante la observación de moléculas individuales. Los investigadores de Brown observaron moléculas individuales de ADN que se extraían a través de nanoporos por la corriente eléctrica y descubrieron por qué con mayor frecuencia viajan de cabeza.

Si quieres entender una novela, ayuda comenzar desde el principio en lugar de tratar de retomar la trama desde algún punto intermedio. Lo mismo ocurre con el análisis de una hebra de ADN. La mejor manera de darle sentido es mirarlo de la cabeza a la cola.

Afortunadamente, según un nuevo estudio realizado por físicos de la Universidad de Brown, Las moléculas de ADN tienen una conveniente tendencia a cooperar.

La investigación, publicado en la revista Cartas de revisión física , analiza la dinámica de cómo las moléculas de ADN son capturadas por nanoporos de estado sólido, pequeños agujeros que pronto pueden ayudar a secuenciar el ADN a la velocidad del rayo. El estudio encontró que cuando una hebra de ADN es capturada y extraída a través de un nanoporo, es mucho más probable que comience el viaje en uno de sus extremos, en lugar de ser agarrado en algún lugar en el medio y atravesado en una configuración doblada.

"Creemos que este es un avance importante para comprender cómo las moléculas de ADN interactúan con estos nanoporos, "dijo Derek Stein, profesor asistente de física en Brown, quien realizó la investigación con los estudiantes graduados Mirna Mihovilivic y Nick Haggerty. "Si desea realizar una secuenciación o algún otro análisis, quieres que la molécula pase por el poro de la cabeza a la cola ".

La investigación sobre la secuenciación del ADN con nanoporos comenzó hace poco más de 15 años. El concepto es bastante simple. Un pequeño agujero unas mil millonésimas de metro de ancho, está metido en una barrera que separa dos charcos de agua salada. Se aplica una corriente eléctrica a través del agujero, que ocasionalmente atrae una molécula de ADN que flota en el agua. Cuando eso pasa, la molécula pasa a través del poro en una fracción de segundo. Luego, los científicos pueden usar sensores en el poro u otros medios para identificar bases de nucleótidos, los bloques de construcción del código genético.

La tecnología avanza rápidamente, y se espera que los primeros dispositivos de secuenciación de nanoporos estén en el mercado muy pronto. Pero todavía hay preguntas básicas sobre cómo se comportan las moléculas en el momento en que se capturan y antes.

"Lo que estaban haciendo las moléculas antes de ser capturadas era un misterio y una cuestión de especulación, ", Dijo Stein." Y nos gustaría saberlo porque si está tratando de diseñar algo para controlar esa molécula, para que haga lo que usted quiere que haga, necesita saber lo que está haciendo ".

Para saber qué están haciendo esas moléculas, los investigadores rastrearon cuidadosamente más de 1, 000 instancias de una molécula atravesando un nanoporo. La corriente eléctrica a través del poro proporciona una señal de cómo pasó la molécula. Las moléculas que pasan por el medio primero deben doblarse para pasar. Esa configuración plegada ocupa más espacio en el poro y bloquea más la corriente. Entonces, al observar las diferencias en la corriente, Stein y su equipo pudieron contar cuántas moléculas pasaron por la cabeza primero y cuántas comenzaron en algún lugar en el medio.

El estudio encontró que las moléculas tienen varias veces más probabilidades de ser capturadas en un extremo o muy cerca de él que en cualquier otro punto a lo largo de la molécula.

"Lo que descubrimos fue que los fines son lugares especiales, "Dijo Stein." El medio es diferente de un final, y eso tiene una consecuencia para la probabilidad de que una molécula comience su viaje desde el final o desde el medio ".

Siempre hay espacio para gelatina

Como resulta, Hay una vieja teoría que explica bastante bien estos nuevos resultados experimentales. Es la teoría de la gelatina.

Jell-O es una red de polímeros, una masa de hebras de polímero onduladas que se unen entre sí en uniones aleatorias. Las hebras onduladas son la razón por la que Jell-O es una semisólido. La forma en que las hebras de polímero se conectan entre sí no es diferente a la forma en que una hebra de ADN se conecta a un nanoporo en el instante en que se captura. En agua, Las moléculas de ADN se mezclan en garabatos aleatorios al igual que las moléculas de gelatina en Jell-O.

"Existe una teoría poderosa que describe cuántas formas en que los polímeros de la gelatina pueden organizarse y adherirse, ", Dijo Stein." Eso resulta ser perfectamente aplicable al problema de dónde estas moléculas de ADN son capturadas por un nanoporo ".

Cuando se aplica al ADN, la teoría de la gelatina predice que si contaras todas las configuraciones posibles de una hebra de ADN en el momento de la captura, encontrará que hay más configuraciones en las que se captura por su final, en comparación con otros puntos a lo largo de la hebra. Es un poco como las probabilidades de obtener un par en el póquer en comparación con las probabilidades de obtener un trío. Es más probable que obtengas un par simplemente porque hay más pares en la baraja que triples.

Esta medida de todas las configuraciones posibles, una medida de lo que los físicos denominan entropía de la molécula, es todo lo que se necesita para explicar por qué el ADN tiende a ir primero. Algunos científicos habían especulado que quizás sería menos probable que las hebras pasen por el medio porque doblarlas por la mitad requeriría energía adicional. Pero esa energía plegable parece no importar en absoluto. Como dice Stein, "El número de formas en que una molécula puede encontrarse con la cabeza pegada en el poro es simplemente mayor que el número de formas en que puede encontrarse con el medio tocando el poro".

Estas teorías de las redes de polímeros han existido por un tiempo. Fueron propuestos por primera vez por el fallecido premio Nobel Pierre-Gilles de Gennes en la década de 1960, y Bertrand Duplantier lograron avances clave en la década de 1980. Mihovilivic, Estudiante de posgrado de Stein y autor principal de este estudio, dice que esta es en realidad una de las primeras pruebas de laboratorio de esas teorías.

"No se pudieron probar hasta ahora, cuando realmente podemos hacer mediciones de una sola molécula, ", dijo." [De Gennes] postuló que algún día sería posible probar esto. Creo que habría estado muy emocionado de ver que sucediera ".