Desarrollan un método para medir la elasticidad de los componentes del ADN 

Desarrollan un método para medir la elasticidad de los componentes del ADN , Desarrollan un método para medir la elasticidad de los componentes del ADN , Revista NUVE

 

 

Desarrollan un método para medir la

elasticidad de los componentes del ADN

 

Una colaboración entre investigadores de la Universidad de Basilea (Suiza) y la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ha permitido desarrollar un nuevo método para determinar las propiedades mecánicas de moléculas de ADN en una superficie a temperaturas extremadamente bajas. Los hallazgos, publicados en Nature Communications, son relevantes tanto para comprender la actividad biológica del ADN como para su integración en nano-estructuras y dispositivos

Una hebra de ADN se despega de la superficie de oro usando la punta de un microscopio de fuerzas (AFM). Durante este proceso es posible determinar la elasticidad, la fricción y las propiedades de enlace con la superficie.  /UA

Desarrollan un método para medir la elasticidad de los componentes del ADN , Desarrollan un método para medir la elasticidad de los componentes del ADN , Revista NUVEUn estudio reciente 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 al nivel de bases individuales.

Estudiar del ADN no solo es importante por su papel como almacén de la información hereditaria en el núcleo de las células, si no 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 nano-estructuras, 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.


A mayor longitud mayor elasticidad

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 temperatura muy baja, de 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.

información biográfica

  • Profesor de Física de la Materia Condensada.
  • Profesor visitante, División de Ciencia de Materiales, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, 2012.
  • Profesor visitante, Escuela Superior de Ingeniería, Universidad de Osaka, 2001.
  • Científico visitante, Max-Planck Institut fur Metallforschung, Stuttgart (visitas anuales durante 1997-1999).
  • HCMP Fellow & Research Associate, Cavendish Laboratory, Universidad de Cambridge, 1993-1996.
  • Doctor en Filosofía. (Física de la Materia Condensada), Universidad Autónoma de Madrid, 1992.
  • Licenciado en Física Teórica, Universidad Complutense de Madrid, 1987.

Intereses de investigación

  • Teoría de microscopios de túnel de exploración (STM) y fuerza atómica (AFM).
  • Adsorción, reactividad y autoorganización de moléculas en superficies.
  • Grafeno y nanoestructuras de carbono.
  • Nanoestructuras de óxido para una economía basada en hidrógeno.
  • Estructura y función de las biomoléculas (proteínas, ADN, ANP).
  • Nanomecánica: Fractura. Fricción y desgaste a escala atómica.

Publicaciones relevantes / recientes

  1. Rubén Pérez Fricción a nanoescala: Distorsionada por la punta, Nature Materials 13, 118-119, (Noticias y opiniones), (2014). [URL]
  2. H. Mönig, M. Todorović, MZ Baykara, TC Schwendemann, L. Rodrigo, IE Altman, R. Pérez, UD Schwarz, Entendiendo los mecanismos de contraste de microscopía de tunelización con óxidos de metales: un estudio de caso, ACS Nano 7, 10233 (2013) . [URL]
  3. G. Langewisch, W. Kaminski, D.-A. Braun, R. Möller, H. Fuchs, A. Schirmeisen y R. Perez, Entender las interacciones de la punta disipativa-molécula con resolución submolecular en un adsorbato orgánico, Small 8, 602 (2012). [URL]
  4. MM Ugeda, D. Fernández-Torre, I. Brihuega, P. Pou, AJ Martínez-Galera, R. Pérez y JM Gómez-Rodríguez, Defectos de puntos en el grafeno de los metales, Physical Review Letters 107, 116803 (2011). [URL]
  5. M. Ondracek, P. Pou, V. Rozsival, C. Gonzalez, P. Jelinek y R. Perez, Fuerzas y corrientes en nanoestructuras de carbono: ¿Somos imágenes de átomos ?, Physical Review Letters 106, 176101 (2011). [URL]
  6. O. Custance, R. Pérez y S. Morita, microscopía de fuerza atómica como herramienta para la manipulación de átomos, Nature Nanotechnology 4.803 (2009). [URL]
  7. Y. Sugimoto, P. Pou, O. Custance, P. Jelinek, M. Abe, R. Pérez y S. Morita, Patrón complejo mediante manipulación de átomos de intercambio vertical utilizando microscopía de fuerza atómica, Science 322, 413-417 (2008). [URL]
  8. G. Otero, G. Biddau, C. Sánchez-Sánchez, R. Caillard, MF López, C. Rogero, FJ Palomares, N. Cabello, MA Basanta, J. Ortega, J. Méndez, AM Echavarren, R. Pérez, B. Gómez-Lor y JA Martín-Gago, Fullerenos a partir de precursores aromáticos por ciclodehidrogenación de superficie catalizada, Nature 464, 865-869 (2008). [URL]
  9. R. García, R. Magerle y R. Pérez, Mapeo compositivo a nanoescala con fuerzas suaves, Nature Materials 6, 405-411 (2007). [URL]
  10. Y. Sugimoto, P. Jelinek, P.Pou, M. Abe, R. Pérez, S. Morita y O. Custance, identificación química de átomos de superficie individuales mediante microscopía de fuerza atómica, Nature 446, 64-67 (2007). [URL]

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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

 

 

 

 

 

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