Un equipo internacional que trabaja en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) ha capturado las primeras imágenes tridimensionales de alta resolución de segmentos individuales de ADN de doble hélice unidos en cada extremo a nanopartículas de oro. Las imágenes detallan la estructura flexible de los segmentos de ADN, que aparecen como cuerdas para saltar a nanoescala.

Esta capacidad de imagen única, iniciada por científicos de Berkeley Lab, podría ayudar en el uso de segmentos de ADN como bloques de construcción para dispositivos moleculares que funcionan como sistemas de administración de fármacos a nanoescala, marcadores para la investigación biológica, y componentes para memoria de computadora y dispositivos electrónicos. También podría conducir a imágenes de importantes proteínas relevantes para la enfermedad que han resultado difíciles de alcanzar para otras técnicas de imagen. y del proceso de ensamblaje que forma el ADN a partir de hebras individuales.

Las formas de las hebras de ADN enrolladas, que estaban intercaladas entre nanopartículas de oro en forma de polígono, fueron reconstruidos en 3-D utilizando una técnica de microscopio electrónico de vanguardia junto con un proceso de tinción de proteínas y un software sofisticado que proporcionó detalles estructurales a la escala de aproximadamente 2 nanómetros, o dos mil millonésimas de metro.

"No teníamos idea de cómo se vería el ADN de doble hebra entre las partículas de nano oro, "dijo Gang" Gary "Ren, un científico del laboratorio de Berkeley que dirigió la investigación. "Esta es la primera vez que se visualiza directamente un segmento de ADN de doble hebra individual en 3-D, ", dijo. Los resultados se publicaron en la edición del 30 de marzo de Comunicaciones de la naturaleza .

El método desarrollado por este equipo, llamada tomografía electrónica de partículas individuales (IPET), había capturado anteriormente la estructura tridimensional de una sola proteína que juega un papel clave en el metabolismo del colesterol humano. Al capturar imágenes en 2-D del mismo objeto desde diferentes ángulos, la técnica permite a los investigadores ensamblar una imagen tridimensional de ese objeto. El equipo también ha utilizado la técnica para descubrir la fluctuación de otra proteína flexible conocida, inmunoglobulina humana 1, que juega un papel en nuestro sistema inmunológico.

Para este último estudio de nanoestructuras de ADN, Ren usó una técnica de estudio de haz de electrones llamada microscopía crioelectrónica (crio-EM) para examinar muestras de ADN-nano oro congeladas. y utilizó IPET para reconstruir imágenes tridimensionales a partir de muestras teñidas con sales de metales pesados. El equipo también utilizó herramientas de simulación molecular para probar las variaciones de forma natural, llamadas "conformaciones, "en las muestras, y comparó estas formas simuladas con observaciones.

Ren explicó que la dinámica naturalmente flexible de las muestras, como un hombre agitando los brazos, no se puede detallar completamente mediante ningún método que utilice un promedio de muchas observaciones.

Una forma popular de ver los detalles estructurales a nanoescala de muestras biológicas delicadas es convertirlas en cristales y aplicarles rayos X, aunque esto no conserva su forma natural y las muestras de ADN-nano oro en este estudio son increíblemente difíciles de cristalizar. Otras técnicas de investigación comunes pueden requerir una colección de miles de objetos casi idénticos, visto con un microscopio electrónico, para compilar un single, estructura 3-D promediada. Pero esta imagen tridimensional puede no mostrar adecuadamente las fluctuaciones de forma natural de un objeto dado.

Las muestras del último experimento se formaron a partir de nanoestructuras de oro poligonales individuales, midiendo unos 5 nanómetros de ancho, conectado a cadenas de un solo segmento de ADN con 84 pares de bases. Los pares de bases son bloques de construcción químicos básicos que le dan al ADN su estructura. Cada segmento de ADN individual y nanopartícula de oro se unieron naturalmente con un compañero para formar el segmento de ADN de doble hebra con una partícula de oro en cada extremo.

Las muestras se congelaron rápidamente para preservar su estructura y poder estudiarlas con imágenes crio-EM, y la distancia entre las dos partículas de oro en muestras individuales varió de 20 a 30 nanómetros según las diferentes formas observadas en los segmentos de ADN. Los investigadores utilizaron un microscopio crioelectrónico en Molecular Foundry de Berkeley Lab para este estudio.

Recogieron una serie de imágenes inclinadas de los objetos manchados, y reconstruyó 14 mapas de densidad electrónica que detallaban la estructura de muestras individuales utilizando la técnica IPET. Reunieron una docena de conformaciones para las muestras y encontraron que las variaciones de la forma del ADN eran consistentes con las medidas en las muestras crio-EM congeladas instantáneamente. Las formas también fueron consistentes con las muestras estudiadas utilizando otros métodos de dispersión de rayos X e imágenes basadas en electrones, y con simulaciones por computadora.

Mientras que las reconstrucciones 3-D muestran la estructura básica a nanoescala de las muestras, Ren dijo que el próximo paso será trabajar para mejorar la resolución a la escala subnanométrica.

"Incluso en este estado actual, comenzamos a ver estructuras tridimensionales con una resolución de 1 a 2 nanómetros, ", dijo." A través de una mejor instrumentación y algoritmos computacionales mejorados, sería prometedor llevar la resolución a la visualización de una única hélice de ADN dentro de una proteína individual ".

La técnica, él dijo, ya ha despertado el interés de algunas empresas farmacéuticas e investigadores de nanotecnología destacados, y su equipo científico ya tiene docenas de proyectos de investigación relacionados en trámite.

En estudios futuros, Los investigadores podrían intentar mejorar la resolución de las imágenes de estructuras complejas que incorporan más segmentos de ADN como una especie de "origami de ADN, "Dijo Ren. Los investigadores esperan construir y caracterizar mejor los dispositivos moleculares a nanoescala utilizando segmentos de ADN que puedan, por ejemplo, almacenar y distribuir medicamentos en áreas específicas del cuerpo.

"El ADN es fácil de programar, sintetizar y replicar, por lo que se puede utilizar como un material especial para autoensamblar rápidamente en nanoestructuras y para guiar el funcionamiento de dispositivos a escala molecular, ", dijo." Nuestro estudio actual es sólo una prueba de concepto para obtener imágenes de este tipo de estructuras de dispositivos moleculares ".