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Conectando ADN
Al conectar el ADN entre dos nanotubos de carbono, los investigadores han medido la capacidad de la molécula para conducir electricidad. La introducción de un solo cambio de letra puede alterar drásticamente la resistencia del ADN, encontraron los investigadores, un fenómeno que planean explotar con un dispositivo que puede detectar rápidamente el ADN en busca de mutaciones vinculadas a enfermedades.
Cableado en caliente: Al colocar un segmento de ADN de doble hebra en un espacio en un nanotubo de carbono de pared simple, los investigadores han medido las propiedades eléctricas de la molécula biológica. Dado que incluso un solo desajuste en las letras del ADN afecta la conductividad del segmento, el sistema podría eventualmente ser la base de sensores químicos para detectar mutaciones en el ADN.
Medir las propiedades eléctricas del ADN ha resultado complicado porque la molécula y sus uniones a los electrodos tienden a ser muy frágiles. Pero en el nuevo estudio, Colin Nuckolls , profesor de química en la Universidad de Columbia, en Nueva York, se asoció con Jacqueline Barton , profesor de química en Caltech, en Pasadena, CA, experto en transporte de carga de ADN. El grupo de Nuckolls había desarrollado previamente un método para conectar de forma segura moléculas biológicas a nanotubos de carbono de pared simple, que actúan como electrodos en un circuito minúsculo.
Los investigadores utilizaron un proceso de grabado para cortar un espacio en un nanotubo de carbono; crearon un grupo de ácido carboxílico en el nanotubo en cada extremo del espacio. Luego hicieron reaccionar estos grupos con cadenas de ADN cuyos extremos habían sido etiquetados con grupos amina, creando fuertes enlaces de amida química que unen los nanotubos y el ADN. Los enlaces amida son lo suficientemente robustos para soportar enormes campos eléctricos.
El equipo estimó que las hebras de ADN de alrededor de 15 pares de bases (alrededor de 6 nanómetros) de longitud tenían una resistencia aproximadamente equivalente a la de una pieza de grafito de tamaño similar. Este es un hallazgo que los investigadores podrían haber esperado, ya que los pares de bases químicas que constituyen el ADN crean una pila de anillos aromáticos similares a los del grafito.
En mi opinión, los resultados de este trabajo sobrevivirán, en contraste con muchas otras publicaciones sobre este tema, dice el químico. Bernd Giese , de la Universidad de Basilea, Suiza. Las estimaciones anteriores de la conductividad del ADN han variado drásticamente, dice Giese, en parte porque no estaba claro si el delicado ADN o su conexión con los electrodos se habían dañado por los altos voltajes utilizados. Uno piensa que ha quemado el ADN hasta convertirlo en carbón, dice Giese. Es extremadamente complicado experimentalmente.
Barton y Nuckolls realizaron dos trucos con su ADN cableado. Para el primero, introdujeron una enzima de restricción que unía y cortaba el ADN en una secuencia específica. Cuando se cortó, la corriente que atravesaba el ADN se desvaneció. Es una forma de soplar bioquímicamente una mecha, dice Nuckolls. También demuestra que el ADN mantiene su estructura nativa en el circuito; si no lo hubiera hecho, la enzima no reconocería ni cortaría la molécula.
Para su segundo truco, los investigadores introdujeron un desajuste de un solo par de bases en el ADN de modo que, por ejemplo, una C se emparejó con una A (en lugar de su pareja normal, G). Este ajuste aumentó la resistencia de la molécula unas 300 veces, probablemente porque distorsiona la estructura de doble hélice. Podrían hacer esto fácilmente conectando solo una de las dos hebras de ADN en el circuito. La segunda hebra, que puede ser una combinación perfecta con la primera o contener un desajuste, puede activarse o desactivarse.
Mostrar el efecto eléctrico de tal desajuste de secuencias y corte de enzimas es la verdadera fuerza de los experimentos, dice Danny Porath , de la Universidad Hebrea de Jerusalén, Israel, que también ha medido la corriente a través del ADN. Juegan con los parámetros y muestran que la conductividad del ADN depende claramente de ellos, y eso es hermoso, dice.
Nuckolls ahora está trabajando para explotar este descubrimiento para detectar polimorfismos de un solo nucleótido (SNP), las variaciones de una letra en el ADN que están relacionadas, por ejemplo, con la susceptibilidad al Alzheimer, la diabetes y muchas otras enfermedades importantes. Nuckolls espera que su método se pueda utilizar para identificar SNP más rápidamente y con mayor sensibilidad que los métodos existentes. En un dispositivo de este tipo, se conecta una hebra de ADN de referencia al circuito y se permite que otras hebras se emparejen con él. Si la segunda hebra lleva una base diferente en la posición del SNP, esto sería suficiente para desencadenar un cambio en la corriente a través de un circuito a nanoescala, tal como lo hizo el desajuste de pares de bases. Nuckolls dice que ya está trabajando con ingenieros eléctricos para crear un sensor que pueda encajar en chips semiconductores existentes, haciéndolo económico y fácilmente disponible. Es uno de nuestros grandes enfoques y estamos bastante cerca, dice.
Es probable que el equipo tenga competencia. A fines del año pasado, un grupo liderado por Wonbong Choi , de la Universidad Internacional de Florida, en Miami, informó que había ensartado 80 pares de bases de ADN entre dos nanotubos de carbono y enviado corriente a través del ADN. Choi dice que está trabajando para crear un sensor que pueda revelar rápidamente la presencia de secuencias genéticas específicas, como el virus de la influenza aviar, al observar los cambios en la corriente a través del circuito diminuto.
Mientras tanto, Barton tiene la intención de averiguar si la conductividad del ADN tiene algún propósito biológico en la célula. Ella tiene evidencia de que las proteínas unidas al ADN pueden detectar el daño del ADN mediante cambios en sus propiedades eléctricas, quizás provocando la reparación del daño. Creemos que es algo de lo que la naturaleza se aprovecha, dice. Es una idea radical, pero creo que a medida que obtengamos más y más pruebas, se construirá el caso.