Descubren que los nudos de ADN son en realidad giros complejos

Investigadores de la Universidad de Cambridge, en colaboración con científicos internacionales, identificaron un proceso crucial que determina el comportamiento del ADN al atravesar poros a escala nanométrica. Este descubrimiento es fundamental para diversas actividades biológicas y para las tecnologías de detección de ADN en rápido crecimiento. El estudio destaca una estructura del ADN que había sido pasada por alto durante mucho tiempo, conocida como plectonemas, un hallazgo que podría influir en los avances futuros en genómica y biosensado.

Los nanopores son aberturas extremadamente pequeñas que permiten el paso de hebras individuales de ADN, generando señales eléctricas que ayudan a los investigadores a analizar el material genético en detalle. Hasta ahora, se habían malinterpretado características importantes de esas señales.

Por qué los científicos pensaron que el ADN formaba nudos

Durante muchos años, se creyó que los patrones eléctricos complejos observados durante los experimentos con nanopores eran causados por la formación de nudos en el ADN. Esta idea era fácil de imaginar: tirar de un cordón a través de un agujero estrecho se vuelve irregular si el cordón se enreda, y los científicos asumieron que el ADN se comportaba de la misma manera. Cualquier señal irregular se interpretó como un indicio de que la hebra se había anudado mientras pasaba por el poro.

Esta explicación moldeó la forma en que se interpretaron los datos de nanopore durante décadas.

Los giros, no los nudos, explican las señales

El nuevo estudio, publicado en Physical Review X, demostró que esta suposición a largo plazo era a menudo incorrecta. En lugar de formar verdaderos nudos, el ADN se retuerce sobre sí mismo durante la translocación a través del nanoporo. Estas estructuras retorcidas, conocidas como plectonemas, se asemejan a un cordón de teléfono enrollado en lugar de un nudo atado.

Esta distinción es importante porque los giros y los nudos afectan las señales eléctricas de maneras muy diferentes.

"Nuestros experimentos mostraron que, a medida que el ADN es arrastrado a través del nanoporo, el flujo iónico dentro del poro retuerce la hebra, acumulando torque y enrollándola en plectonemas, no solo en nudos. Esta estructura retorcida 'oculta' tiene una huella eléctrica distintiva y duradera, a diferencia de la firma más transitoria de los nudos", explicó el autor principal, Dr. Fei Zheng, del Cavendish Laboratory.

Experimentos apuntan a un mecanismo faltante

Para llegar a esta conclusión, los investigadores probaron el ADN utilizando nanopores de vidrio y nitruro de silicio en una amplia gama de voltajes y condiciones. Notaron que los eventos denominados "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 podría explicar.

Estos eventos se hicieron aún más frecuentes a medida que aumentaba el voltaje y las hebras de ADN se volvían más largas. Este patrón sugirió que otra fuerza estaba en juego.

Cómo el agua en movimiento retuerce el ADN

El equipo descubrió que el giro proviene del flujo electroosmótico, el movimiento del agua impulsado por campos eléctricos dentro del nanoporo. A medida que el agua fluye junto al ADN, aplica una fuerza giratoria a la molécula helicoidal. Este torque viaja a lo largo de la hebra, haciendo que las secciones fuera del poro se enrollen en plectonemas.

A diferencia de los nudos, que se aprietan bajo fuerzas de tracción y típicamente desaparecen rápidamente, los plectonemas pueden crecer más grandes y permanecer presentes durante todo el proceso de translocación. 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 el giro a lo largo de su longitud.

Bloquear giros confirma el descubrimiento

Para probar la idea más a fondo, los investigadores crearon ADN "cortado", hebras interrumpidas en puntos específicos. Estas interrupciones impidieron que el giro se propagara a lo largo de la molécula y redujeron drásticamente la formación de plectonemas durante los experimentos.

Este resultado confirmó que la propagación del giro es esencial para el proceso. También sugiere nuevas formas en que los nanopores podrían utilizarse para detectar daños en el ADN, ya que las roturas en la hebra interfieren con el comportamiento de giro.

Lectura de señales de ADN con nueva precisión

"Lo realmente poderoso aquí es que ahora podemos diferenciar entre nudos y plectonemas en la señal del nanoporo según cuánto tiempo duran", dice Prof. Ulrich F. Keyser, también del Cavendish Laboratory y coautor del estudio.

"Los nudos pasan rápidamente, como un pequeño bache, mientras que los plectonemas persisten y crean señales prolongadas. 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 se extienden más allá de la detección con nanopores. En las células vivas, el ADN se retuerce y enreda regularmente mientras las enzimas actúan sobre él, y tanto los nudos como los plectonemas desempeñan papeles importantes en la organización y estabilidad del genoma. Comprender cómo se forman estas estructuras podría mejorar los modelos del comportamiento del ADN celular.

Para diagnósticos y biosensado, la capacidad de detectar o controlar el giro del ADN podría llevar 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 resalta el poder de los nanopores, no solo como sensores sofisticados, sino también como herramientas para manipular biopolímeros de maneras novedosas", concluyó Keyser.