El ADN, nuestro material genético, normalmente tiene la estructura de una escalera de cuerda retorcida. Los expertos llaman a esta estructura una doble hélice. Entre otras cosas, se estabiliza mediante fuerzas de apilamiento entre pares de bases. Científicos de la Universidad Técnica de Munich TUMhan logrado medir estas fuerzas por primera vez en el nivel de pares de bases individuales. Este nuevo conocimiento podría ayudar a construir máquinas moleculares precisas a partir de ADN.
Hace más de 60 años, los investigadores Crick y Watson identificaron la estructura del ácido desoxirribonucleico, que se conoce más comúnmente como ADN. Compararon la doble hélice con una escalera de cuerda que se había torcido en espiral. Los peldaños de esta escalera consistíande pares de bases de guanina / citosina y timina / adenina. Pero, ¿qué mantiene los filamentos de ADN en esa estructura espiral?
Sistema de medición especial para interacciones moleculares
El profesor Hendrik Dietz, de la Cátedra de biofísica experimental, utiliza el ADN como material de construcción para crear estructuras moleculares. Por lo tanto, está muy interesado en obtener una mejor comprensión de este material. "Hay dos tipos de interacciones que estabilizan las dobles hélices".él explica. Por un lado, el ADN contiene enlaces de hidrógeno.
Por otro lado, hay lo que los expertos llaman fuerzas de apilamiento de pares de bases, que actúan entre los pares de bases apiladas a lo largo del eje espiral. Las fuerzas de los enlaces de hidrógeno, por otro lado, actúan perpendicularmente al eje ". Hasta ahora,no está del todo claro hasta qué punto estas dos fuerzas contribuyen a la estabilidad general de la doble hélice del ADN ", explica Dietz.
La medición directa de las fuerzas de apilamiento débiles entre pares de bases fue un gran desafío técnico para los investigadores, que trabajaron en el problema durante seis años. En colaboración con la Cátedra TUM de Biofísica Molecular Prof. Matthias Rief y la Cátedra Teórica TUMBiofísica - Dinámica biomolecular Prof. Martin Zacharias, lograron desarrollar una configuración experimental especial que ahora permite medir interacciones de contacto extremadamente débiles entre moléculas individuales.
Una billonésima parte de una barra de chocolate
En pocas palabras, el sistema de medición está diseñado jerárquicamente e involucra haces microscópicos, en las puntas de las cuales se ubican una o más estructuras de doble hélice que se ejecutan en paralelo. Estas han sido modificadas de manera que cada extremo lleva un par de bases. Dos deestos haces microscópicos están conectados con un polímero flexible. Por otro lado, los haces están acoplados a esferas microscópicas que pueden separarse usando pinzas láser ópticas. En solución, los pares de bases en el extremo de uno de los haces ahora pueden interactuar conlos pares de bases en el extremo de la otra viga. Esto también permite medir cuánto tiempo dura un enlace de apilamiento entre ellos antes de que se desmoronen nuevamente, así como la fuerza que actúa entre los pares de bases.
Las fuerzas medidas por los investigadores estaban en el rango de piconewtons. "Un newton es el peso de una barra de chocolate", explica Dietz. "Lo que tenemos aquí es una milésima de una billonésima parte de eso, lo que prácticamente no es nada."Las fuerzas en el rango de dos piconewtons son suficientes para separar el vínculo creado por las fuerzas de apilamiento".
Además, los científicos también observaron que los enlaces se rompieron espontáneamente y se formaron nuevamente en solo unos pocos milisegundos. La fuerza y la vida útil de las interacciones depende en gran medida de qué pares de bases se apilan entre sí.
Creando máquinas de ADN
Los resultados de las mediciones pueden ayudar a comprender mejor los aspectos mecánicos de los procesos biológicos fundamentales, como la replicación del ADN, es decir, la reproducción de material genético. Por ejemplo, la corta vida de las interacciones de apilamiento podría significar que una enzima encargada de separar la baselos pares durante este proceso solo necesitan esperar a que los enlaces de apilamiento se rompan por sí mismos, en lugar de tener que aplicar fuerza para separarlos.
Sin embargo, Dietz también tiene la intención de aplicar los datos directamente a su investigación actual: utiliza el ADN como material de construcción programable para construir máquinas del orden de los nanómetros. Al hacerlo, se inspira en las estructuras complejas que se pueden encontrar enLas células y, entre otras cosas, sirven como "fábricas" moleculares para sintetizar compuestos importantes como el ATP, que almacena energía. "Ahora sabemos lo que sería posible si pudiéramos construir estructuras que fueran lo suficientemente sofisticadas", dice Dietz. "Naturalmente, cuando comprendamos mejor las propiedades de las interacciones moleculares, podremos trabajar mejor con estas moléculas ".
En este momento, el laboratorio está construyendo un motor de rotación molecular a partir del ADN, cuyos componentes se entrelazan y se mantienen unidos mediante fuerzas de apilamiento. El objetivo es poder controlar una rotación dirigida mediante estímulos químicos o térmicos.por lo tanto, el momento del movimiento del rotor en el estator es crucial, y esta tarea ahora se ha hecho significativamente más fácil con los nuevos hallazgos sobre las fuerzas de apilamiento.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Técnica de Munich TUM . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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