El modo de empaquetado del ADN genómico en el núcleo celular determina los patrones de expresión génica. Los investigadores de Munich han utilizado nano pinzas basadas en ADN para medir las fuerzas entre nucleosomas, las unidades de empaquetado básicas del ADN nuclear.

Cada célula humana contiene unos dos metros de ácido desoxirribonucleico (ADN), que codifica la información genética que especifica las estructuras y funciones celulares. Es más, este ADN "genómico" se empaqueta en el núcleo celular, que tiene menos de 10 micrómetros de diámetro. Esto significa que el ADN nuclear debe estar empaquetado, principalmente al interactuar con proteínas específicas. La unidad de empaque básica es una partícula hecha de proteínas llamadas histonas, alrededor del cual se envuelve el ADN. Comparable a los carretes pequeños, estas estructuras se denominan nucleosomas. Los nucleosomas, a su vez, están unidos entre sí por segmentos de ADN que se extienden entre las partículas del núcleo y no se envuelven alrededor de ellas. Visto bajo el microscopio electrónico, el ADN empaquetado en nucleosomas se asemeja a cuentas en una cuerda.

El siguiente nivel de empaquetado implica la interacción mutua de nucleosomas, y las estructuras de orden superior resultantes aún no se han caracterizado por completo. Un equipo de científicos dirigido por Hendrik Dietz de la Universidad Técnica de Munich y Philipp Korber en el Centro Biomédico de LMU ha dado un paso sustancial para resolver este rompecabezas:por primera vez, han logrado medir directamente las fuerzas de atracción que actúan entre los nucleosomas. Sus resultados aparecen en las revistas Avances de la ciencia y Nano letras .

Origami de ADN:integración de nucleosomas en las pinzas

Dietz, titular de la Cátedra de Biofísica Experimental del TUM, utiliza el ADN como material de construcción para construir estructuras moleculares, una tecnología conocida como origami de ADN. Él y su equipo ahora han utilizado el método para crear estructuras que consisten en dos barras rígidas de ADN conectadas por una articulación flexible que actúa como un resorte. Estos se pueden usar como pinzas para medir la fuerza de las interacciones entre nucleosomas. Se adjunta un nucleosoma a cada brazo de las pinzas. "Podemos controlar la posición y la orientación de los nucleosomas en las pinzas de ADN con un grado de precisión muy alto, ", dice Dietz." Esto es muy importante cuando se trata de poder medir realmente las interacciones ".

Los investigadores de LMU asumieron la tarea de desarrollar estructuras de nucleosomas que puedan integrarse en las pinzas. Philipp Korber, Privatdozent y líder de grupo de la Cátedra de Biología Molecular del BMC, explica:"Normalmente, los dos extremos de doble hebra del ADN enrollados alrededor del nucleosoma están muy cerca uno del otro. Pero lo que necesitábamos eran dos hebras simples que sobresalen, más cerca del medio. Este fue un problema importante, ya que tal configuración puede desestabilizar toda la estructura. No obstante, la miembro de nuestro equipo, Corinna Lieleg, logró encontrar los lugares adecuados para estos mangos ".

Los investigadores pudieron medir una interacción muy débil entre nucleosomas integrados, equivalente a una fuerza de atracción de 1,6 kcal / mol, en un rango de aproximadamente 6 nanómetros (nm). Se encontró que las orientaciones de los nucleosomas entre sí apenas tenían efecto. Sin embargo, modificaciones químicas particulares en las proteínas histonas debilitaron aún más las interacciones.

El problema de la fibra de 30 nm

El resultado podría ayudar a resolver una disputa científica actual. Según la teoría actual, Los nucleosomas forman un tipo de súper espiral con un diámetro de 30 nanómetros, la llamada fibra de 30 nm. Hasta aquí, sin embargo, esta estructura de orden superior de 30 nm nunca se ha observado en células vivas. Si la cromatina realmente adquiere o no la forma de tal súper espiral es todavía muy controvertido. En efecto, las diminutas fuerzas de atracción entre los nucleosomas, que los investigadores ahora han medido con éxito, parecen contradecir la teoría. "Nuestros datos apuntan a estructuras muy blandas que se deforman fácilmente por influencias externas, "dice Dietz.

La forma en que los nucleosomas se organizan en estructuras de orden superior es un tema de fundamental importancia, ya que tiene profundas implicaciones para el control de la expresión génica. Solo aquellos genes que se encuentran dentro de la cromatina relativamente no compacta son accesibles a la 'activación', lo que permite que las proteínas que codifican sean producidas por la maquinaria celular.

La regulación genética a través del empaquetado del ADN falla en las células cancerosas

"Durante los últimos diez años ha quedado claro que muchos de los cambios y mutaciones que transforman las células en células cancerosas tienen lugar a este nivel, "Dice Korber. En una célula cancerosa, los mecanismos normales que determinan qué genes están activos y cuáles inactivos se alteran. Las regiones genómicas que no deberían ser accesibles se dejan abiertas y viceversa. "Sin embargo, si solo el embalaje es defectuoso, y no el gen en sí, en principio, debería ser posible restaurar el embalaje adecuado de nuevo ".

Los investigadores planean utilizar la técnica de pinzas moleculares para investigar otras estructuras. "En biología, la orientación de las estructuras entre sí es siempre importante, ", dice Korber." Ahora tenemos una especie de abrazadera molecular que podemos usar para controlar específicamente la orientación espacial de las estructuras entre sí ".