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» » » El grafeno cargado ofrece un ADN realizando acrobacias moleculares

Referencia: ScienceDaily.com, 14 de octubre 2014

Cuando los investigadores andaban estudiando un método para controlar cómo se mueve el ADN a través de un pequeño dispositivo de secuenciación, no sabían que estaban a punto de presenciar una exhibición de acrobacias moleculares. Los investigadores descubrieron que una carga positiva aplicada al grafeno nanoporoso aceleraba el movimiento del ADN, mientras que una carga negativa lo detenía. Sin embargo, el ADN parecía bailar por toda la superficie del grafeno, haciendo piruetas con formas específicas de secuencia que nunca habían visto. 

El ADN interactúa con el grafeno cargado y se contorsiona en formas específicas de secuencia cuando se cambia la carga. Crédito, cortesía Alek Aksimentiev.
La rápida, precisa y asequible secuenciación del ADN es el primer paso hacia una medicina personalizada. Enhebrar una molécula de ADN a través de un pequeño agujero, llamado nanoporo, de una hoja de grafeno, permite a los investigadores leer la secuencia de ADN; sin embargo, ellos tienen un control limitado sobre lo rápido que puede moverse el ADN a través del poro.

"Idealmente, uno querría pasar un nucleótido por vez a través del nanoporo", señaló Aksimentiev. "Tomar la medida, y luego tener otro nucleótido en el agujero de detección. Ese era el objetivo, pero nos dimos cuenta que, hasta cierto punto, podíamos controlar el proceso mediante la carga del grafeno."

En el nuevo estudio publicado en la revista Nature Communications, el profesor de física Aleksei Aksimentiev y el estudiante graduado Manish Shankla, de la Universidad de Illinois, aplicaron una carga eléctrica a la hoja de grafeno, con la esperanza de que el ADN reaccionaría a la carga de manera que les permitiera controlar su movimiento hacia abajo en cada enlace individual, o nucleótido, en la cadena de ADN.

"Me recuerda a el Lago de los Cisnes", dijo Aksimentiev. "Es muy acrobático. Nos quedamos sorprendidos por la variedad de formaciones del ADN que podían observarse en la superficie del grafeno cuando lo cargamos. Hay una secuencia que comienza en la superficie, y cuando cambiamos la carga, se va inclinando hacia un lado como si estuvieran haciendo flexiones con un solo brazo. Luego tenemos los nucleótidos, que se van recostando o yéndose hacia arriba como una bailarina sobre la punta de sus pies."

La hipótesis de Aksimentiev es que estas conformaciones son tan distintas y específicas en su secuencia porque cada nucleótido tiene una distribución ligeramente diferente de electrones, las partes negativamente cargadas de los átomos. Incluso hay una diferencia visible cuando un nucleótido está metilado, un cambio químico pequeño que puede activar o desactivar un gen.

Al cambiar la carga en el grafeno, los investigadores pueden controlar no sólo el movimiento del ADN a través del poro, sino también la forma en que se contorsiona.

"Debido a que es reversible, podemos forzarlo a adoptar una conformación y luego obligarlo a volver. Es por eso que lo llamamos gimnásticos", dijo Aksimentiev.

Los investigadores utilizaron mucho la supercomputadora Blue Waters del Centro Nacional para Aplicaciones de Supercomputación, ubicada en la Universidad de Illinois. Mapearon cada átomo individual de la molécula de un complejo ADN y recorrieron numerosas simulaciones con muchas secuencias diferentes de ADN. La supercomputación era esencial para realizar este trabajo, dijo Aksimentiev.

"Esto es realmente un proyecto de gran intensidad computacional", comentó. "Tener acceso a Blue Waters era esencial, ya que sin ella no habríamos finalizado un gran número de simulaciones. Hubiera llevado demasiado tiempo."

El siguiente paso será combinar una configuración de nanoporos cargados con un sensor, para construir un dispositivo de secuenciación de ADN que incorpore tanto el control de movimiento como el reconocimiento de nucleótidos. Los investigadores también esperan explorar los inesperados cambios conformacionales como conocimientos sobre la epigenética, el campo que estudia cómo se expresan y moderan los genes.

"El ADN es mucho más complicado que simplemente una doble hélice. Es una molécula compleja que tiene muchísimas propiedades, y todavía estamos descubriéndolas", añadió Aksimentiev.

- Vídeo de animación del baile del ADN según los cambios de carga del grafeno.
- Fuente: University of Illinois at Urbana-Champaign .
- Publicación: Manish Shankla, Aleksei Aksimentiev. Conformational transitions and stop-and-go nanopore transport of single-stranded DNA on charged graphene. Nature Communications, 2014; 5: 5171 DOI: 10.1038/ncomms6171 .
- Imagen: El ADN interactúa con el grafeno cargado y se contorsiona en formas específicas de secuencia cuando se cambia la carga. Crédito, cortesía Alek Aksimentiev.

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