El ADN puede hacer más que pasar el código genético de una generación a la siguiente. Durante casi 20 años, los científicos conocen la capacidad de la molécula para estabilizar grupos de átomos de plata de tamaño nanométrico. Algunas de estas estructuras brillan visiblemente en rojo y verde, lo que las hace útiles en una variedad de aplicaciones químicas y de biodetección.

Stacy Copp, profesora asistente de ciencia e ingeniería de materiales de la UCI, quería ver si las capacidades de estos pequeños marcadores fluorescentes podrían ampliarse aún más (hasta el rango infrarrojo cercano del espectro electromagnético) para brindar a los investigadores de biociencias el poder de ver a través de los seres vivos. células e incluso centímetros de tejido biológico, abriendo puertas a métodos mejorados de detección y tratamiento de enfermedades.

"Existe un potencial sin explotar para extender la fluorescencia mediante nanoclusters de plata estabilizados con ADN a la región del infrarrojo cercano", afirma. "La razón por la que esto es tan interesante es que nuestros tejidos y fluidos biológicos son mucho más transparentes a la luz infrarroja cercana que a la luz visible".

Copp dice que los científicos e ingenieros han estado buscando nuevas formas de escanear tejidos corporales para evitar los efectos secundarios mutacionales de los rayos X o que los pacientes ingieran radionucleidos para detectar tumores. "Hay muchas razones por las que sería interesante utilizar luz infrarroja cercana no invasiva y no peligrosa, que es básicamente calor", dice. "Pero uno de los mayores desafíos es que realmente no tenemos fluoróforos buenos y no tóxicos:moléculas o nanopartículas que emiten esta luz infrarroja cercana".

La gente conoce los poderes antimicrobianos de la plata desde la antigüedad. El elemento mata las bacterias pero es benigno para la mayoría de las células de los mamíferos; incluso se utiliza para combatir los olores en algunas telas que usan los humanos. Copp dice que estudios recientes han demostrado que los nanoclusters de plata estabilizados con ADN tienen una baja citotoxicidad y que el ADN es inherentemente biocompatible, lo que hace que estos compuestos sean potencialmente seguros de usar en un entorno clínico.

Como ocurre con muchas cosas relacionadas con el ADN, existe una cantidad casi incomprensible de permutaciones de secuencias, de las cuales sólo un pequeño subconjunto posee las cualidades fluorescentes que buscan los investigadores. Mientras estuvo en UC Santa Barbara, Copp formó parte de un equipo que diseñó un instrumento que puede escanear rápidamente cientos de nanoclusters de plata a la vez para ver si tienen emisiones en el infrarrojo cercano. Con esta herramienta, los científicos han podido encontrar una gran cantidad de secuencias candidatas previamente ocultas.

En su laboratorio en el Edificio Interdisciplinario de Ciencias e Ingeniería Susan y Henry Samueli de la UCI, Copp inició un proyecto con Peter Mastracco, su primer doctorado. estudiante, para aprovechar nuevos datos que conectan secuencias de ADN con los colores de los nanoclusters, que Copp dice que compara con un "genoma de nanocluster". Le pidió a Mastracco que desarrollara un método de aprendizaje automático que pudiera ayudarlos a analizar montañas de datos experimentales para generar nuevas secuencias de ADN (que se puedan crear en el laboratorio) que abran el acceso a la región del infrarrojo cercano.

Al principio del proyecto, Mastracco encontró un trabajo de investigación que mostraba la estructura cristalina de rayos X de un nanocluster de plata estabilizado con ADN. "Literalmente nos dio una idea de dónde están todos los átomos de plata y cómo se pliega el ADN alrededor del nanocluster", dice Copp. "Y descubrió algo que yo no había notado antes, y es que el ADN se plegó alrededor del nanocluster de una manera particular".

Los investigadores plantearon la hipótesis de que si codificaban información sobre esta peculiaridad de plegado en sus modelos de aprendizaje automático, podrían predecir el color de fluorescencia de los nanoclusters.

Parte del doctorado de Mastracco. La formación en el grupo de Copp fue la de convertirse en mentor. En el verano de 2020, uno de los primeros picos de la pandemia de COVID-19, lo emparejaron con Josh Evans, un estudiante de Chaffey College, un colegio comunitario con campus en Inland Empire de California.

Según Copp, Evans ideó una forma creativa de interpretar más claramente los resultados de los modelos de Mastracco. "Algunos de estos algoritmos pueden funcionar como una caja negra", afirma Copp. "Se proporciona un conjunto de datos al algoritmo de aprendizaje automático, que aprende las tendencias de esos datos y eso le ayuda a hacer predicciones. Pero realmente puede ser difícil abrir la tapa y descubrir qué está pasando en la caja". /P>

Evans ayudó a resolver este problema mediante el uso de una "herramienta de selección de características" que permitió al equipo determinar qué parte de la secuencia de ADN estaba correlacionada con los diferentes colores de fluorescencia de los nanoclusters.

Copp dice que el avance se convirtió en una contribución esencial a un artículo de investigación, con Mastracco como autor principal, que se publicó en la revista ACS Nano. .

El trabajo en el grupo de investigación Copp sobre nanoclusters fluorescentes continúa a buen ritmo. Recientemente publicaron un segundo artículo sobre el tema en el Journal of the American Chemical Society. , este dirigido por Ph.D. La estudiante Anna González Rosell, quien fue mentora de la coautora de pregrado de la UCI, Nery Arévalos.

"El artículo representa un avance clave en el desarrollo de nanoclusters verdaderamente biocompatibles para imágenes en el infrarrojo cercano", afirma Copp. "Varios de mis estudiantes trabajaron en estos artículos y la tutoría universitaria jugó un papel vital en los proyectos. Es un acuerdo que funciona increíblemente bien en términos de generar resultados de investigación y ayudar a los científicos jóvenes a alcanzar sus objetivos".

Más información: Peter Mastracco et al, El aprendizaje automático basado en la química permite el descubrimiento de nanoclusters de plata estabilizados con ADN con fluorescencia en el infrarrojo cercano, ACS Nano (2022). DOI:10.1021/acsnano.2c05390

Anna Gonzàlez-Rosell et al, Ligandos de cloruro en nanoclusters de plata estabilizados con ADN, Revista de la Sociedad Química Estadounidense (2023). DOI:10.1021/jacs.3c01366

Información de la revista: Revista de la Sociedad Química Estadounidense , ACS Nano

Proporcionado por la Universidad de California, Irvine