Resumen:
Según las leyes básicas de la física, los objetos con la misma carga eléctrica deben repelerse entre sí. Dado que la propia molécula de ácido desoxirribonucleico (ADN) generalmente lleva una carga negativa, dos cadenas de doble hélice de ADN suelen producir una fuerte repulsión electrostática cuando se acercan. Sin embargo, dentro de las células vivas, las moléculas de ADN frecuentemente deben lograr un contacto cercano y un emparejamiento preciso para impulsar procesos vitales básicos como la recombinación y el silenciamiento de genes.
Un equipo de investigación internacional dirigido conjuntamente por la Universidad de York y la Universidad de Sheffield en el Reino Unido utilizó recientemente microscopía de fuerza atómica de alta resolución y simulaciones de dinámica molecular para observar directamente y revelar por primera vez el mecanismo microfísico mediante el cual las moléculas de ADN superan la repulsión electrostática y muerden con fuerza como una "cremallera".
Este descubrimiento experimental proporciona la primera evidencia visual directa de la microestructura del "modelo de cremallera de ADN electrostático" propuesto hace unos 20 años. Hipótesis teóricas anteriores sugirieron que los iones de sal en la solución que rodea al ADN pueden inducir la formación de un patrón alterno de cargas positivas y negativas en la superficie de la hélice, haciendo que dos moléculas de ADN paralelas estén estrechamente entrelazadas como dos escaleras de caracol entrelazadas. Sin embargo, debido a las fuerzas extremadamente débiles a escala molecular y a los rápidos cambios dinámicos, esta hipótesis siempre ha permanecido en la etapa de deducción teórica y no ha sido verificada directamente mediante imágenes experimentales.
En este estudio, el equipo de investigación científica utilizó un microscopio de fuerza atómica de alta precisión para realizar un escaneo fino de superficies a nanoescala en muestras de ADN de hebra corta, y observó claramente la alineación altamente precisa de surco a surco de las dos hebras de ADN. Simulaciones simultáneas de dinámica molecular por computadora a gran escala revelaron aún más la fuerza impulsora detrás de esto: pequeños iones metálicos con cargas positivas dobles (como cationes divalentes) desempeñan un papel crucial de "puente molecular" en la solución. Estos iones cargados positivamente pueden insertarse con precisión en los surcos helicoidales del ADN, extendiendo una fuerza de interacción como brazos cargados y tirando de dos moléculas de ADN cargadas negativamente al mismo tiempo, anulando y cruzando por completo la barrera de repulsión electrostática que originalmente obstaculizaba su acercamiento.
El estudio señaló además que la fuerza del emparejamiento entre las cadenas de ADN no está distribuida uniformemente, pero muestra una dependencia significativa de la secuencia de bases. Secuencias de ADN específicas tienen una mayor capacidad para unirse a iones metálicos, formando una serie de "puntos de emparejamiento" en el genoma que son propensos a la alineación física y al bloqueo estrecho.
Los científicos afirman que el esclarecimiento de este mecanismo microscópico tiene una doble importancia rectora para la medicina básica y la bioingeniería. A nivel de los mecanismos de la enfermedad, identificar puntos críticos de emparejamiento de ADN en el genoma puede ayudar a los investigadores a comprender cómo cuando mutaciones específicas interrumpen el ensamblaje normal de la cromatina o el emparejamiento de recombinación, pueden causar anomalías celulares e incluso inducir cáncer; A nivel de biotecnología, dominar las leyes físicas del autoensamblaje del ADN mediante puentes iónicos proporcionará a los nanoingenieros nuevas pautas de diseño para personalizar nanoestructuras de ADN artificiales programables y de alta resistencia y vehículos de administración de fármacos.
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