Científicos de la Universidad de Cambridge, en colaboración con colaboradores internacionales, han identificado un proceso crucial que da forma al comportamiento del ADN cuando se mueve a través de poros a nanoescala. Este proceso es fundamental para muchas actividades biológicas y para las tecnologías de detección de ADN de rápido crecimiento. La investigación destaca una estructura de ADN que se ha pasado por alto durante mucho tiempo llamada plectonemas, un hallazgo que podría influir en futuros avances en genómica y biodetección.
Los nanoporos son aberturas extremadamente pequeñas que permiten el paso de hebras individuales de ADN mientras producen señales eléctricas. Estas señales ayudan a los investigadores a analizar el material genético en detalle. Hasta ahora, se habían malinterpretado aspectos importantes de esas señales.
Por qué los científicos pensaron que el ADN estaba formando nudos
Durante muchos años, los investigadores creyeron que los patrones eléctricos complejos observados durante los experimentos con nanoporos eran causados por la formación de nudos en el ADN. La idea era fácil de imaginar. Pasar un cordón de zapato a través de un agujero estrecho se vuelve desigual si el cordón se enreda, y los científicos asumieron que el ADN se comportaba de la misma manera. Se pensaba que cualquier señal irregular significaba que la hebra se había anudado mientras atravesaba el poro.
Esa explicación dio forma a cómo se interpretaron los datos de nanoporos durante décadas.
Giros, no nudos, explica las señales
El nuevo estudio, publicado en Physical Review X, muestra que esta suposición de larga data a menudo era errónea. En lugar de formar verdaderos nudos, el ADN frecuentemente se retuerce sobre sí mismo durante la translocación de nanoporos. Estas estructuras retorcidas, conocidas como plectonemas, se parecen más a un cable telefónico enrollado que a un nudo atado.
Esta distinción es importante porque las torceduras y los nudos afectan las señales eléctricas de maneras muy diferentes.
«Nuestros experimentos demostraron que a medida que el ADN pasa a través del nanoporo, el flujo iónico del interior tuerce la hebra, acumulando torque y enrollándola en plectonemas, no solo en nudos. Esta estructura de torsión ‘oculta’ tiene una huella distintiva y duradera en la señal eléctrica, a diferencia de la firma más transitoria de los nudos», explicó el autor principal, el Dr. Fei Zheng del Laboratorio Cavendish.
Los experimentos apuntan a un mecanismo faltante
Para llegar a esta conclusión, los investigadores probaron el ADN utilizando nanoporos de nitruro de silicio y de vidrio en una amplia gama de voltajes y condiciones. Se dieron cuenta de que los llamados eventos «enredados», cuando más de una sección de ADN ocupaba el poro al mismo tiempo, ocurrían con mucha más frecuencia de lo que la teoría de nudos podía explicar.
Estos eventos se volvieron aún más frecuentes a medida que aumentaba el voltaje y las cadenas de ADN se hacían más largas. Este patrón sugería que otra fuerza estaba actuando.
Cómo el agua que fluye retuerce el ADN
El equipo descubrió que la torsión proviene del flujo electroosmótico, el movimiento del agua impulsado por campos eléctricos dentro del nanoporo. A medida que el agua pasa por el ADN, aplica una fuerza de giro a la molécula helicoidal. Este par viaja a lo largo de la hebra, lo que hace que las secciones fuera del poro se enrollen formando plectonemas.
A diferencia de los nudos, que se tensan bajo fuerzas de tracción y normalmente desaparecen rápidamente, los plectonemas pueden crecer y permanecer presentes durante todo el proceso de translocación. Las simulaciones por computadora que aplicaron fuerzas y torques realistas confirmaron este comportamiento y mostraron que la formación de plectonemas depende de la capacidad del ADN para transmitir torsión a lo largo de su longitud.
El bloqueo de giros confirma el descubrimiento
Para probar más a fondo la idea, los investigadores crearon ADN «cortado», es decir, hebras que estaban interrumpidas en puntos específicos. Estas interrupciones impidieron que la torsión se extendiera a lo largo de la molécula y redujeron drásticamente la formación de plectonemas durante los experimentos.
Este resultado confirmó que la propagación de la torsión es esencial para el proceso. También sugiere nuevas formas de utilizar los nanoporos para detectar daños en el ADN, ya que las roturas en la hebra interfieren con el comportamiento de torsión.
Lectura de señales de ADN con nueva precisión
«Lo realmente poderoso aquí es que ahora podemos distinguir nudos y plectonemas en la señal de los nanoporos en función de cuánto duran», dice el profesor Ulrich F. Keyser, también del Laboratorio Cavendish y coautor del estudio.
«Los nudos pasan rápidamente, como un golpe rápido, mientras que los plectonemas persisten y crean señales extendidas. Esto ofrece un camino hacia lecturas más ricas y matizadas de la organización del ADN, la integridad genómica y posiblemente el daño».
Implicaciones más amplias para la biología y la tecnología
Los hallazgos van más allá de la detección de nanoporos. En las células vivas, el ADN se retuerce y enreda regularmente a medida que las enzimas actúan sobre él, y tanto los nudos como los plectonemas desempeñan funciones importantes en la organización y estabilidad del genoma. Comprender cómo se forman estas estructuras podría mejorar los modelos de comportamiento del ADN celular.
Para el diagnóstico y la biodetección, la capacidad de detectar o controlar la torsión del ADN podría conducir a herramientas más sensibles capaces de identificar cambios genéticos sutiles y signos tempranos de daño en el ADN relacionados con enfermedades.
«Desde la perspectiva de la nanotecnología, la investigación destaca el poder de los nanoporos, no sólo como sensores sofisticados sino también como herramientas para manipular biopolímeros de formas novedosas», concluyó Keyser.
