Las estructuras que dan un giro a la luz revelan pequeñas cantidades de ADN con 50 veces más sensibilidad que los mejores métodos actuales. se ha demostrado una colaboración entre la Universidad de Michigan y la Universidad de Jiangnan en China.

La detección de ADN altamente sensible puede ayudar a diagnosticar a los pacientes, resolver delitos e identificar el origen de contaminantes biológicos como un patógeno en un suministro de agua.

"Realmente no importa de dónde sea el ADN objetivo, "dijo Nicholas Kotov, el Profesor Joseph B. y Florence V. Cejka de Ingeniería Química en la U-M. "Para detectar un ADN específico, solo necesitamos conocer una pequeña parte de su secuencia ".

Los métodos actuales de análisis de ADN se basan en la copia de segmentos de una hebra de ADN. El proceso descomprime la doble hélice y luego corta, Las hebras de ADN 'cebadoras' fabricadas en laboratorio se adhieren a cada mitad del ADN original. Estos cebadores ponen en marcha el proceso de copia, utilizando el ADN descomprimido como plantilla. Los segmentos de ADN dirigidos se pueden replicar de esta manera, duplicando cada ciclo. Si se produce suficiente ADN antes de que los errores de copia se conviertan en un problema importante, Luego, un análisis más detallado puede mostrar si la muestra coincide con un sospechoso, por ejemplo.

Pero si los cebadores fueran muy selectivos para la secuencia de ADN sospechosa, entonces se podría determinar una coincidencia simplemente detectando si el ADN se había copiado o no. Los estudios revelaron que se podían observar pequeñas cantidades de ADN cuando se unían nanopartículas de oro esféricas a los cebadores. Si el ADN coincidía con las sospechas, En el proceso de replicación se formarían cadenas de partículas unidas junto con el ADN. La solución de nanopartículas cambiaría de color de rojo a azul, debido a la forma en que las cadenas de partículas interactúan con la luz.

"Se alcanzaron límites de detección impresionantes para ADN cortos con nanopartículas; sin embargo, no por mucho ADN, "Dijo Kotov.

El problema, él explicó, es que si las partículas están más separadas que unos pocos nanómetros, o millonésimas de milímetro, "no interactúan fuertemente y el color azul no ocurre". Se necesitan hebras más largas para diferenciar entre especies e individuos con mayor precisión.

"Si las hebras son demasiado cortas, podría mezclar el ADN de un asesino con el del perro de un amigo, o una firma de cáncer de estómago maligno con el trozo de un burrito de pollo, "Dijo Kotov.

Él y su socio Chuanlai Xu, profesor de ciencia y tecnología de los alimentos en la Universidad de Jiangnan en China, dirigió un esfuerzo para ver si un cambio óptico más sutil se mantendría en distancias más largas.

En lugar de utilizar nanopartículas esféricas, el equipo comenzó con nanobarras, con forma de pequeños caramelos de Mike e Ike, unos 62 nanómetros de largo y 22 nanómetros de diámetro. Adjuntaron el ADN cebador a los lados de estos.

Cuando las nanovarillas se alinean, tienden a desalinearse unos 10 grados. Después de algunas rondas de copia, las estructuras de oro y ADN parecían escaleras de cuerda retorcidas. La luz que atraviesa la espiral de rayos dorados reacciona girando.

"La luz se puede girar incluso cuando las nanovarillas están muy lejos unas de otras, "Esto le da a nuestros métodos una tremenda ventaja en cuanto a sensibilidad para cadenas largas de ADN", dijo Kotov.

La rotación ocurre porque la luz está compuesta de ondas eléctricas y magnéticas que se mueven en tándem, y los campos eléctricos y magnéticos ejercen fuerzas sobre las partículas cargadas que tienen libertad para moverse, como los electrones en los metales. Los electrones del oro responden muy bien a la frecuencia de las ondas de luz visible, Entonces comienzan a moverse hacia adelante y hacia atrás en el oro, sincronizado con la luz. Este efecto es una vía de doble sentido:los electrones en movimiento en el oro también pueden afectar las ondas de luz.

Kotov compara la luz con una cuerda con ondas que la atraviesan.

"Ahora imagina que el aire alrededor de la cuerda puede moverse más fácilmente a lo largo de ciertas direcciones, "Dijo Kotov.

Para que la luz atraviese las nanobarras de oro, es más fácil si la onda eléctrica se mueve hacia arriba y hacia abajo a lo largo de las nanobarras, por lo que la luz gira a medida que se mueve de nanobarra a nanovarilla y continúa girando después de salir de la estructura. Y dependiendo de si la luz comienza a girar en sentido horario o antihorario, siente la torsión de las nanovarillas más en diferentes longitudes de onda.

"For analytical purposes, this is a gift, " Kotov said.

The two peaks in the amount of twisting for clockwise and counterclockwise light can be added together, which makes for a stronger signal and allows the method to identify a match with smaller amounts of DNA.

"The strength of the rotation reaches maximum when the gap between nanorods is 20 nanometers, which is exactly what we need for the detection of long, selective and species-specific DNA strands, " Kotov said. "The calculations presented show that we can potentially increase the sensitivity even more in the future and to even longer DNAs."