Nuevo método para medir la elasticidad de los componentes del ADN

Estudiar del ADN no solo es importante por su papel como almacén de la información hereditaria en el núcleo de las células, también por sus posibles aplicaciones en nanotecnología. En particular, un proceso llamado ADN origami explota el plegado de hebras de ADN para crear moldes con los que sintetizar pequeñas estructuras (del tamaño de unos pocos nanómetros) en dos y tres dimensiones. Estas estructuras tienen aplicaciones como contenedores de productos farmacéuticos, conductores eléctricos y sensores.

Para ser capaz de controlar la forma de esas nanoestructuras, es importante conocer la elasticidad y las fuerzas de enlace de los componentes del ADN. Estas propiedades pueden medirse con la precisión necesaria a bajas temperaturas.

En este contexto, investigadores de la Universidad de Basilea (Suiza) y la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han desarrollado un nuevo método para determinar las propiedades mecánicas de moléculas de ADN en una superficie a temperaturas extremadamente frías.

El estudio, publicado en la revista Nature Communications, muestra cómo combinar medidas de espectroscopia de fuerzas y simulaciones numéricas para entender los procesos de adsorción y desorción de una superficie, y determinar así la respuesta mecánica del ADN a la escala de bases individuales.

La técnica de 'spray'

En su trabajo los investigadores utilizaron una técnica llamada de 'spray' para depositar hebras de ADN con 20 nucleótidos del tipo citosina y una longitud de unos pocos nanómetros en una superficie de oro.

“Trabajando a una temperaturade 5 Kelvin, usamos la punta de un microscopio de fuerzas atómicas para levantar uno de los extremos de la hebra. Durante este proceso, cada una de los nucleótidos que forman la hebra se va despegando uno a uno de la superficie. De esta forma logramos determinar la elasticidad del fragmento y las fuerzas necesarias para despegar la molécula de ADN de la superficie de oro”, describen los autores.

Esta técnica, que se había aplicado antes a otras moléculas, muestra un comportamiento inesperado: cuanto más largo es el fragmento de ADN que se ha despegado, mayor es su elasticidad.

Según los investigadores este resultado se puede explicar considerando que los componentes individuales de la hebra de ADN se comportan como un conjunto de muelles conectados entre sí: “Las medidas nos permiten determinar la respuesta elástica del enlace químico entre cada par de nucleótidos vecinos”. 

Las simulaciones de ordenador, desarrolladas por los investigadores de la UAM, han ayudado a entender tanto la estructura del ADN después del proceso de adsorción, como la razón por la que el ADN se despega de forma discontinua de la superficie.

Estas simulaciones muestran que hay una competencia entre la deformación elástica acumulada en el fragmento despegado y los enlaces entre las bases de citosina en cada nucleótido y la superficie de oro. Por encima de una cierta deformación umbral, estos enlaces se rompen y la hebra se desplaza de forma abrupta sobre la superficie. Los valores de elasticidad obtenidos a partir de las simulaciones están en muy buen acuerdo con los experimentos, confirmando la validez del modelo de muelles en serie para describir la respuesta mecánica.

El estudio también confirma que la espectroscopia de fuerzas a baja temperatura es una herramienta muy adecuada para estudiar la elasticidad y las propiedades de enlace de hebras de ADN sobre superficies. Al igual que la microscopia electrónica de baja temperatura, proporciona a los científicos una imagen de la estructura de muestras biológicas.

“Esta técnica nos da acceso a las propiedades de fricción y respuesta mecánica de los componentes del ADN, lo que resulta fundamental para determinar la viabilidad de posibles técnicas alternativas de secuenciación basadas en microscopia de fuerzas”, concluyen los autores.

Referencia bibliográfica:

"Conformations and cryo-force spectroscopy of spray-deposited single-strand DNA on gold". Rémy Pawlak, J.G. Vilhena, Antoine Hinaut, Tobias Meier, Thilo Glatzel, Alexis Baratoff, Enrico Gnecco, Rubén Pérez , Ernst Meyer.  Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-019-08531-4.