ADN que almacena información genética en la mayoría de los organismos de la Tierra, no se destruye fácilmente. Absorbe fácilmente la radiación ultravioleta (UV), pero encuentra formas de recuperarse.

Para combatir el daño de la radiación, las células han desarrollado mecanismos de reparación del ADN, así como mecanismos para eliminar la energía antes de que rompa el ADN, como la autoionización, que es el proceso por el cual la macromolécula en estado excitado emite espontáneamente uno de sus electrones, liberando una gran cantidad de energía. Comprender este mecanismo es fundamental para investigar y mitigar los efectos de la radiación en los organismos vivos.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Lehigh (Slava V. Rotkin, Tetyana Ignatova, Michael Blades), la Universidad de Florida Central (Alexander Balaeff), el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (Ming Zheng) y un estudiante de la Universidad de Rochester que participa en el programa de verano "Experiencias de investigación para estudiantes universitarios" (REU) respaldado por NSF en Lehigh (Peter Stoeckl) se propuso comprender la estabilidad del ADN como portador de información genética contra el daño potencial de la radiación ultravioleta. Han informado de sus hallazgos en un artículo aceptado recientemente para su publicación en Nano investigación .

Rotkin y sus colegas estudiaron complejos autoensamblados de ADN envueltos alrededor de nanotubos de carbono de pared única utilizando una técnica especial:espectroscopía de fotoluminiscencia de dos colores. El uso simultáneo de la luz ultravioleta y verde para sondear la muestra proporcionó una perspectiva que nadie había podido observar antes en experimentos de un solo color. Más tarde, Se desarrolló una teoría de la mecánica cuántica para respaldar los datos experimentales y pudieron confirmar una tasa de autoionización del ADN muy rápida.

"Ser capaz de establecer la eficiencia del proceso de autoionización es un paso clave para comprender cómo el ADN excitado por UV puede 'enfriarse' sin romperse, manteniendo así sus funciones biológicas normales, "dijo Rotkin, profesor del Departamento de Física y del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Lehigh.

El enfoque innovador del equipo tiene un gran potencial para monitorear la excitación del ADN, autoionización y daño químico importante para campos tan diversos como la medicina, Biología evolucionaria, y exploración espacial. Para fines biomédicos, la capacidad de estudiar el mecanismo de autoionización podría contribuir a comprender los niveles de radiación ultravioleta que se pueden sobrevivir para diferentes tipos de células y las formas de mitigar los efectos de la irradiación. Desde una perspectiva evolutiva, Es importante comprender los mecanismos de disipación que fueron cruciales durante la evolución de las células primordiales cuando la radiación ultravioleta era órdenes de magnitud más intensa que en la actualidad, mientras que los mecanismos de reparación del ADN presumiblemente eran inexistentes. Para la exploración continua del espacio, Es importante desarrollar estrategias para la seguridad de las células y los organismos en condiciones de radiación severas.

Los investigadores tardaron tres años en recopilar los datos y analizar los efectos. "Encontramos un comportamiento anormal de la emisión de nanotubos:parecía que algo estaba 'robando' la luz emitida bajo la iluminación ultravioleta de segundo color, ", dijo Rotkin." Este campo todavía está extremadamente poco explorado. Nadie había visto esto antes y tuvimos que formular una hipótesis sobre los datos de dos colores durante un tiempo, proponer y rechazar experimentalmente varios modelos para encontrar la interpretación correcta ".

Fue solo cuando asumieron que el ADN era la fuente del fenómeno observado, y rechazaron un modelo ampliamente aceptado, que los investigadores pudieron comprender completamente la extinción óptica de nanotubos.

El ADN es muy útil para estudiar nanotubos. Una hebra de ADN envuelta alrededor de un solo nanotubo de carbono, una estructura de carbono cilíndrica en miniatura que tiene una red de grafito hexagonal y paredes de solo un átomo de espesor, mantendrá el nanotubo en agua y le permitirá tener prácticamente las mismas buenas propiedades ópticas que el prístino. material.

Inicialmente, los investigadores se sorprendieron al observar cambios en las propiedades ópticas de los nanotubos a medida que se aplicaba la luz ultravioleta a las muestras.

“Durante años se ha aceptado comúnmente que el ADN es un portador 'inerte' de nanotubos y que el ADN retiene el nanotubo en agua sin cambiar sus propiedades, ", agregó Rotkin." Le tomó varios años a nuestro equipo separarse de esta idea común, porque fue tan ampliamente aceptado. Finalmente, después de una serie de experimentos adicionales, los datos indicaron claramente que el origen de la modulación era el propio ADN ".

Inmediatamente después de este descubrimiento, los investigadores han cambiado el enfoque de su proyecto para ver cómo su técnica de espectroscopía de fotoluminiscencia de dos colores podría usarse para investigar más a fondo las propiedades del ADN.

"Ahora se entiende que diferentes nucleobases de ADN muestran diferentes propiedades de autoionización, ", concluyó Rotkin." Anticipamos que esto creará herramientas biomoleculares no invasivas sin precedentes para resolver problemas críticos de biofísica de ácidos nucleicos ".

El estudio fue financiado por la National Science Foundation (NSF:ECCS) dentro del proyecto llamado "Física fundamental y aplicaciones de biodetección de nanomateriales compuestos fluorescentes:tierras raras combinadas con nanotubos de carbono encerrados en ADN".