Material basado en el ADN con propiedades ajustables
Posibles aplicaciones en la administración de fármacos y la regeneración de tejidos
Aunque el ADN suele idealizarse como la "molécula de la vida", también es un polímero muy sofisticado que puede utilizarse para materiales de nueva generación. Más allá del hecho de que pueda almacenar información, otros aspectos fascinantes del ADN son sus propiedades geométricas y topológicas, como el anudamiento y el superenrollamiento. De hecho, al igual que un cable telefónico retorcido, el ADN se encuentra a menudo enrollado dentro de las bacterias y otras células, e incluso anudado en los virus. Ahora, un grupo de científicos de las Universidades de Edimburgo, San Diego y Viena ha empezado a aprovechar estas propiedades para crear fluidos complejos y materiales blandos basados en el ADN "topológicamente sintonizables", con posibles aplicaciones en la administración de fármacos y la regeneración de tejidos, según se publica en Science Advances.
A la izquierda, una imagen del sistema simulado: una solución densa de plásmido superenrollado. A la derecha, una vista más detallada del fluido superenrollado que muestra los enredos entre las moléculas.
© Davide Michieletto, University of Edinburgh and Jan Smrek, University of Vienna
La conocida forma de doble hélice del ADN tiene profundas implicaciones en su comportamiento. Una molécula de ADN lineal, es decir, con dos extremos, puede girar libremente. En cambio, la unión de los dos extremos para formar un círculo de ADN implica que cualquier torsión excesiva o insuficiente de la doble hélice queda "topológicamente bloqueada", es decir, que la torsión extra no puede eliminarse sin cortar la molécula. Las torsiones excesivas o insuficientes tienen consecuencias interesantes en la disposición de las moléculas de ADN en el espacio, en particular, se enrollan y se doblan sobre sí mismas de forma muy parecida a un viejo cable telefónico en las denominadas conformaciones superenrolladas (Fig. 1). El enrollamiento del ADN alivia la tensión producida por la torsión excesiva o insuficiente y, por tanto, disminuye el tamaño total de la molécula. Por este motivo, se cree que el superenrollamiento es un mecanismo natural empleado por las células para empaquetar su genoma en espacios diminutos. Mientras que el menor tamaño conduce naturalmente a una difusión más rápida de las moléculas de ADN en solución, por ejemplo en el agua o a través de los poros de un gel, debido al menor arrastre, este comportamiento bien entendido no se produce cuando muchas moléculas de ADN están empaquetadas y enredadas como espaguetis en un bol.
"Hemos realizado simulaciones informáticas a gran escala de soluciones densas de moléculas de ADN con distinto grado de superenrollamiento y hemos encontrado varios resultados sorprendentes", explica Jan Smrek, de la Universidad de Viena, primer autor del estudio. "En contraste con el caso diluido, cuanto más superenrollados están los anillos de ADN, mayor es su tamaño". Como las moléculas tienen que evitarse unas a otras, sus formas adoptan conformaciones fuertemente asimétricas y ramificadas que ocupan más volumen que sus homólogas no superenrolladas. Curiosamente, y en contra de lo esperado, "las moléculas de ADN más grandes siguen produciendo una difusión más rápida". La difusión más rápida significa que la solución tiene menor viscosidad.
Las moléculas de ADN superenrolladas que aparecen de forma natural en las bacterias se conocen como plásmidos. En vivo, las células tienen unas proteínas especiales llamadas topoisomerasa que pueden reducir la cantidad de superenrollamiento en los plásmidos. "Gracias a estas proteínas -que pueden purificarse y utilizarse en el laboratorio- podemos controlar el grado de superenrollamiento en los plásmidos de ADN enredados y estudiar su dinámica utilizando tintes fluorescentes. Nos sorprendió descubrir que, efectivamente, los plásmidos de ADN tratados con topoisomerasa, y por tanto con un bajo superenrollamiento, son más lentos que sus homólogos altamente superenrollados", explica Rae Robertson Anderson, que dirigió los experimentos en la Universidad de San Diego.
Para explicar la sorprendente rapidez de la dinámica, los científicos utilizaron simulaciones a gran escala en superordenadores para cuantificar el grado de enredo de las moléculas en las soluciones. Aunque se sabe que un polímero en forma de anillo -bastante similar a un plásmido de ADN circular- puede ser enhebrado por otro anillo, lo que significa que este último puede atravesar el ojo del primero, no se sabía cómo afecta este tipo de enredo al movimiento del ADN superenrollado. Gracias a las simulaciones, los científicos descubrieron que un alto grado de superenrollamiento disminuye el área penetrable de cada molécula, lo que resulta, a su vez, en un menor número de enhebramientos entre los plásmidos y, en última instancia, en una solución con menor viscosidad. No obstante, los plásmidos pueden seguir envolviéndose entre sí y limitando el movimiento de los demás sin enhebrarse. Sin embargo, el superenrollamiento endurece las conformaciones y, por tanto, las hace menos propensas a doblarse y entrelazarse con fuerza, lo que reduce también este tipo de enredo.
Davide Michieletto, de la Universidad de Edimburgo, concluye que "no sólo encontramos estos nuevos efectos en las simulaciones, sino que también demostramos estas tendencias experimentalmente y desarrollamos una teoría que las describe cuantitativamente. Cambiando el superenrollamiento podemos ajustar la viscosidad de estos fluidos complejos a voluntad. Ahora entendemos mucho mejor la conexión entre la geometría adaptativa de las moléculas y las propiedades materiales resultantes. Esto no sólo es apasionante desde el punto de vista fundamental, sino que también promete aplicaciones útiles. Utilizando enzimas específicas, como la topoisomerasa, se pueden diseñar materiales blandos basados en el ADN con propiedades ajustables".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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