Usos ocults de l'ADN

2020/07/15 Beñat Olave Fernández - EHUko ikertzailea | Mikel Gartziarena San Policarpo - EHUko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Genetika
• Bioteknologia
• Biokimika
• Kimika

Àcid desoxiribonucleic, quin nus de boca! A més d'en la boca, l'estructura que adopta en les nostres cèl·lules és complexa, ja que en uns pocs micròmetres cúbics s'introdueix un ADN que pot aconseguir una longitud de dos metres. No obstant això, la imatge que podem imaginar està lluny de l'ordre que presenta l'ADN, ja que s'encaixa perfectament en el nucli de la cèl·lula amb complexes instruccions de quatre lletres que formen l'ADN (Figura 1).

Segons els experts, la molècula imprescindible per a la vida va sorgir en la naturalesa fa milers de milions d'anys, i fins a principis del segle passat no es van identificar les seves quatre unitats de repetició: adenina (A), guanina (G), citosina (C) i timina (T). Més tard, XX. a mitjan segle es va descriure l'estructura més comuna de l'ADN: la doble hèlix. Des de llavors, la recerca dels àcids nucleics ha pres la velocitat de la llum i s'ha desenvolupat fins que a la fi de segle s'ha gestat el camp de recerca de la nanotecnologia de l'ADN. L'ADN ja no sols formaria part essencial dels éssers vius, sinó que es convertiria en material de moltes altres aplicacions no biològiques[1].

Facultats de l'ADN

La primera proposta va ser l'aplicació de l'ADN fos de la naturalesa per a formar nanoestructuras. De fet, l'ADN genera enllaços entre les seves cadenes de forma molt específica, mitjançant ponts d'hidrogen: Combinant les lletres A amb les lletres T i les lletres G amb les lletres C. Això permet dissenyar amb precisió a nanoescala, com és el cas de la tècnica d'origami de l'ADN[2]. Aquesta tècnica, presentada fa una dècada, i tenint en compte un senzill programa d'ordinador i les connexions de l'ADN, es poden crear les construccions que es desitgin, com es pot apreciar en la figura 2. No obstant això, l'ADN no és un maó simple per a crear nanoestructuras, entre les seves lletres es troben altres funcions.

Imagina que vols construir una casa amb la mateixa mena de material, però perquè els grups de maons que tu vulguis facin una tasca específica com la captura de patògens de l'aire. Això es pot fer amb nanoestructuras generades per ADN. De fet, l'ADN té la capacitat de detectar molècules o macromolècules específicament i podem dissenyar el compost desitjat. Com és possible? Com ja s'ha indicat, l'ADN només té quatre tipus d'unitats de repetició: A, G, C i T. Però canviant l'ordre i la longitud de la seqüència d'aquestes lletres, podem obtenir combinacions il·limitades. Mitjançant el procediment SELEX[3] podem obtenir una seqüència que generi enllaços amb la molècula objectiu.

El tipus d'ADN amb capacitat de detecció es denomina aptamero i, a més, l'ADN té una capacitat extra d'acceleració de reaccions químiques. Aquestes últimes es denominen enzims ADN o ADN catalític i, igual que amb els aptameros, amb el procediment SELEX s'obté la seqüència necessària per a cada condició de reacció. Els aptameros i els enzims ADN formen part del grup d'ADN funcional, augmentant considerablement el valor de l'ADN com a nanomaterials. No obstant això, l'ADN no és un material perfecte, ja que certes propietats necessàries en la naturalesa poden posar límits a l'ADN nanotecnológico.

De fet, l'ADN és una molècula carregada, carregada negativament per grups de fosfats, que necessita contraiones per a mantenir un conformat estable. D'altra banda, l'ADN es degrada ràpidament en el mitjà aquàtic o en presència d'enzims en l'aire. A l'interior de la cèl·lula, l'ADN es troba en un entorn molt controlat, on l'activitat de l'aigua i el contacte amb altres molècules són limitats, encara que quan se li dóna alguna altra aplicació, la pèrdua de la mostra pot produir-se en pocs dies o mesos. D'altra banda, a més de l'aigua, l'ADN és estable i funcional en uns pocs dissolvents, ja que se sap que l'aigua i la vida han estat sempre en estreta relació amb el nostre planeta.

Aquestes limitacions poden superar-se parcialment, però encara queden molts estudis per desenvolupar. Existeixen dues àrees de recerca per a fer front a situacions imprevistes per la naturalesa: Transformació del mitjà en el qual l'ADN està dissolt o canvis en l'estructura de l'ADN. Quant al primer, tracta de reduir l'activitat de l'aigua mitjançant la simulació del mitjà cel·lular[4] o uns altres dissolvents com a líquids iònics[5]. D'altra banda, existeixen en la naturalesa dos tipus d'àcids nucleics, l'ADN i l'àcid ribonucleic (ARN). En la dècada passada es van presentar els primers àcids nucleics sintètics[6] per a fer front als problemes de solvatació i degradació (Figura 3), si bé el problema d'alt cost econòmic persisteix i és més fàcil realitzar canvis químics en la molècula d'ADN que utilitzar un nou àcid nucleic.

Ús de l'ADN fora de l'àmbit biològic

En l'actualitat, la majoria de les aplicacions són de tipus mèdic, entre les quals es troben la suma de nanoestructuras i nanopartícules d'ADN per al transport i administració de medicaments dins del cos o com a marcadors biològics. No obstant això, l'ús de l'ADN, a part de la biologia, té molt a veure en moltes altres àrees.

La suma de forces és la causa de l'extraordinària capacitat, i la suma de les propietats estructurals de l'ADN i de les capacitats perceptives i catalítiques dóna lloc a aplicacions que no es poden aconseguir amb altres materials com les respostes d'estímul. Les membranes són materials porosos que separen dos mitjans. Atès que la grandària dels porus de les membranes en els processos industrials específics és d'uns pocs nanòmetres, sol ser molt interessant poder obrir i tancar els porus al seu gust. Normalment el tancament dels porus es realitza mitjançant canvis en tot l'entorn: pH, temperatura, pressió, etc. No obstant això, els dissenys d'ADN permeten utilitzar un agent local per a controlar la permeabilitat dels porus. Més concretament, en els porus es poden col·locar nanoestructuras formades per aptameros per a tancar i obrir el porus amb una molècula específica, ja que la conformació de l'ADN canvia en detectar la molècula[7] (imatge superficial).

Els enzims ADN, com ja s'ha esmentat, acceleren les reaccions químiques i, a més, provoquen la quiralidad per a aconseguir l'anomenada catàlisi asimètrica. Aquest tipus de catàlisi és molt important i té una gran demanda en el mercat, ja que molts compostos químics són enantiómeros. En un parell d'enantiómeros d'una molècula, un seria la imatge mirall d'un altre i no es podrien solapar (com ocorre amb les nostres dues mans). La qüestió és que una de les imatges que hi ha en el mirall sol tenir aplicacions molt interessants i l'altra no, per la qual cosa és molt més apropiat sintetitzar directament només un dels enantiómeros que haver de separar-los posteriorment. Fa molts anys sabem que la naturalesa utilitza proteïnes per a aconseguir una catàlisi asimètrica i, en la dècada passada, l'equip del premi Nobel Feringa va realitzar el següent descobriment: L'ADN també es pot utilitzar per a aquesta tasca gràcies a l'enrotllat de la seva doble hèlix[8].

En allunyar-se del camp de la química i la bioquímica, la recerca amb ADN funcional va disminuint, però hi ha un gran interès en la creació de nanoestructuras i en l'ús d'ADN per a emmagatzemar informació. La nostra informació personal s'emmagatzema en discos durs amb xips de sílice o cintes magnètiques. La quantitat de dades que es poden emmagatzemar en una determinada grandària ha augmentat considerablement en els últims anys, acostant-se a un límit en el qual físicament no serà possible incrementar aquesta compactació. L'ADN, per part seva, és un material molt més dens quant a emmagatzematge de dades: en un gram es podrien introduir al voltant de dos petabytes, és a dir, en uns pocs grams tindríem tots els continguts disponibles en Internet. I, en qualsevol cas, de la teoria a la pràctica hi ha una gran labor. En l'actualitat, les empreses Microsoft i Food són les que més inversions estan realitzant en aquesta aplicació, i encara que de moment només s'han fet els primers passos, ja han presentat el seu primer disc dur d'ADN[9] (Figura 4).

Gràcies a la recerca multidisciplinària, encara hi ha portes obertes per a desenvolupar aplicacions d'ADN, construir nanoestructuras més robustes i treure més partit a les capacitats dels aptameros o dels enzims ADN. Per a evitar que els nusos dels àcids nucleics es converteixin en borrissol en la boca, cal continuar investigant, ja que aquest material necessari per a la vida té molt a dir fora de les cèl·lules i és a les nostres mans deixar anar els nusos i profitar les opcions.

Bibliografia

[1] Seeman, N. C. & Sleiman, H. F. (2017). DNA nanotechnology. Nature Reviews Materials, 3. DOI: 10.1038/natrevmats.2017.68

[2] Rothemund, P. W. C. (2006). Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature, 440(7082). DOI: 10.1038/nature04586

[3] Wang, T. & Veedu, R. N. (2019). Tecnologies disponibles: Lessons learned, progress and opportunities on aptamer development. Biotechnology Advances, 37, 28–50. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2018.11.001

[4] Nakano, S., Miyoshi, D., & Sugimoto, N. (2014). Estructura Molecular Crowding on the Structures, Interactions, and Functions of Nucleic Acids. Chem. Rev., 114, 2733–2758. DOI: 10.1021/cr400113m

[5] Olave, B., & Schäfer, T. (2018). CHAPTER 17 Functional DNA in Ionic Liquids. En Ionic Liquid Devices (pàg. 423–444). The Royal Society of Chemistry. DOI: 10.1039/9781788011839-00423

[6] Holliger, P. et. al (2019). A synthetic genetic polymer with an uncharged backbone chemistry based on alkyl phosphonate nucleic acids. Nature Chemistry. DOI: 10.1038/s41557-019-0255-4

[7] Schafer, T., & Ozalp, V. C. (2015). dna-aptamer gating membranes. Chemical Communications, 51(25), 5471–5474. DOI: 10.1039/C4cc09660f

[8] Fering, B. L. et al. (2010). Catalytic enantioselective syn hydration of enones in water using a dna-based catalyst. Nature Chemistry, 2(11), 991–995. DOI: 10.1038/nchem.819

[9] https://youtu.be/tbvd7osdggq , https://www.youtube.com/watch?v=60gi5lql-da