Usos ocultos do ADN

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

• Genetika
• Bioteknologia
• Biokimika
• Kimika

Acedo desoxirribonucleico, que nó de boca! Ademais de na boca, a estrutura que adopta nas nosas células é complexa, xa que nuns poucos micrómetros cúbicos introdúcese un ADN que pode alcanzar una lonxitude de dous metros. Con todo, a imaxe que podemos imaxinar está lonxe da orde que presenta o ADN, xa que se encaixa perfectamente no núcleo da célula con complexas instrucións de catro letras que forman o ADN (Figura 1).

Segundo os expertos, a molécula imprescindible paira a vida xurdiu na natureza fai miles de millóns de anos, e até principios do século pasado non se identificaron o seu catro unidades de repetición: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T). Máis tarde, XX. a mediados de século describiuse a estrutura máis común do ADN: o dobre hélice. Desde entón, a investigación dos ácidos nucleicos tomou a velocidade da luz e desenvolveuse ata que a finais de século xestouse o campo de investigación da nanotecnoloxía do ADN. O ADN xa non só formaría parte esencial dos seres vivos, senón que se convertería en material doutras moitas aplicacións non biolóxicas[1].

Facultades do ADN

A primeira proposta foi a aplicación do ADN fose da natureza paira formar nanoestructuras. De feito, o ADN xera enlaces entre as súas cadeas de forma moi específica, mediante pontes de hidróxeno: Combinando as letras A con as letras T e as letras G coas letras C. Isto permite deseñar con precisión a nanoescala, como é o caso da técnica de origami do ADN[2]. Esta técnica, presentada fai una década, e tendo en conta un sinxelo programa de computador e as conexións do ADN, pódense crear as construcións que se desexen, como se pode apreciar na figura 2. Con todo, o ADN non é un ladrillo simple paira crear nanoestructuras, entre as súas letras atópanse outras funcións.

Imaxina que queres construír una casa co mesmo tipo de material, pero para que os grupos de ladrillos que ti queiras realicen una tarefa específica como a captura de patógenos do aire. Isto pódese facer con nanoestructuras xeradas por ADN. De feito, o ADN ten a capacidade de detectar moléculas ou macromoléculas especificamente e podemos deseñar o composto desexado. Como é posible? Como xa se indicou, o ADN só ten catro tipos de unidades de repetición: A, G, C e T. Pero cambiando a orde e a lonxitude da secuencia destas letras, podemos obter combinacións ilimitadas. Mediante o procedemento SELEX[3] podemos obter una secuencia que xere enlaces coa molécula obxectivo.

O tipo de ADN con capacidade de detección denomínase aptamero e, ademais, o ADN ten una capacidade extra de aceleración de reaccións químicas. Estas últimas denomínanse encimas ADN ou ADN catalítico e, do mesmo xeito que cos aptameros, co procedemento SELEX obtense a secuencia necesaria paira cada condición de reacción. Os aptameros e as encimas ADN forman parte do grupo de ADN funcional, aumentando considerablemente o valor do ADN como nanomateriales. Con todo, o ADN non é un material perfecto, xa que certas propiedades necesarias na natureza poden pór límites ao ADN nanotecnológico.

De feito, o ADN é una molécula cargada, cargada negativamente por grupos de fosfatos, que necesita contraiones paira manter un conformado estable. Por outra banda, o ADN degrádase rapidamente no medio acuático ou en presenza de encimas no aire. No interior da célula, o ADN atópase nunha contorna moi controlada, onde a actividade da auga e o contacto con outras moléculas son limitados, aínda que cando se lle dá algunha outra aplicación, a perda da mostra pode producirse en poucos días ou meses. Por outra banda, ademais da auga, o ADN é estable e funcional nuns poucos disolventes, xa que se sabe que a auga e a vida estiveron sempre en estreita relación co noso planeta.

Estas limitacións poden superarse parcialmente, pero aínda quedan moitos estudos por desenvolver. Existen dúas áreas de investigación paira facer fronte a situacións imprevistas pola natureza: Transformación do medio no que o ADN está disolto ou cambios na estrutura do ADN. En canto ao primeiro, trata de reducir a actividade da auga mediante a simulación do medio celular[4] ou outros disolventes como líquidos iónicos[5]. Por outra banda, existen na natureza dous tipos de ácidos nucleicos, o ADN e o ácido ribonucleico (ARN). Na década pasada presentáronse os primeiros ácidos nucleicos sintéticos[6] paira facer fronte aos problemas de solvatación e degradación (Figura 3), aínda que o problema de alto custo económico persiste e é máis fácil realizar cambios químicos na molécula de ADN que utilizar un novo ácido nucleico.

Uso do ADN fose do ámbito biolóxico

Na actualidade, a maioría das aplicacións son de tipo médico, entre as que se atopan a suma de nanoestructuras e nanopartículas de ADN paira o transporte e administración de medicamentos dentro do corpo ou como marcadores biolóxicos. Con todo, o uso do ADN, á parte da bioloxía, ten moito que ver noutras moitas áreas.

A suma de forzas é a causa da extraordinaria capacidade, e a suma das propiedades estruturais do ADN e das capacidades perceptivas e catalíticas dá lugar a aplicacións que non se poden conseguir con outros materiais como as respostas de estímulo. As membranas son materiais porosos que separan dous medios. Dado que o tamaño dos poros das membranas nos procesos industriais específicos é duns poucos nanómetros, adoita ser moi interesante poder abrir e pechar os poros ao seu gusto. Normalmente o peche dos poros realízase mediante cambios en toda a contorna: pH, temperatura, presión, etc. Con todo, os deseños de ADN permiten utilizar un axente local paira controlar a permeabilidade dos poros. Máis concretamente, nos poros pódense colocar nanoestructuras formadas por aptameros paira pechar e abrir o poro cunha molécula específica, xa que a conformación do ADN cambia ao detectar a molécula[7] (imaxe superficial).

As encimas ADN, como xa se mencionou, aceleran as reaccións químicas e, ademais, provocan a quiralidad paira lograr a chamada catálisis asimétrica. Este tipo de catálisis é moi importante e ten una gran demanda no mercado, xa que moitos compostos químicos son enantiómeros. Nun par de enantiómeros dunha molécula, un sería a imaxe espello doutro e non se poderían solapar (como ocorre coas nosas dúas mans). A cuestión é que una das imaxes que hai no espello adoita ter aplicacións moi interesantes e a outra non, polo que é moito máis apropiado sintetizar directamente só uno dos enantiómeros que ter que separalos posteriormente. Hai moitos anos sabemos que a natureza utiliza proteínas paira conseguir una catálisis asimétrica e, na década pasada, o equipo do premio Nobel Feringa realizou o seguinte descubrimento: O ADN tamén se pode utilizar paira esta tarefa grazas ao enrolado do seu dobre hélice[8].

Ao afastarse do campo da química e a bioquímica, a investigación con ADN funcional vai diminuíndo, pero hai un gran interese na creación de nanoestructuras e no uso de ADN paira almacenar información. A nosa información persoal almacénase en discos duros con chips de sílice ou cintas magnéticas. A cantidade de datos que se poden almacenar nun determinado tamaño aumentou considerablemente nos últimos anos, achegándose a un límite no que fisicamente non será posible incrementar esa compactación. O ADN, pola súa banda, é un material moito máis denso en canto a almacenamento de datos: nun gramo poderíanse introducir ao redor de dous petabytes, é dicir, nuns poucos gramos teriamos todos os contidos dispoñibles en Internet. E, en calquera caso, da teoría á práctica hai una gran labor. Na actualidade, as empresas Microsoft e Food son as que máis investimentos están a realizar nesta aplicación, e aínda que de momento só se deron os primeiros pasos, xa presentaron o seu primeiro disco duro de ADN[9] (Figura 4).

Grazas á investigación multidisciplinar, aínda hai portas abertas paira desenvolver aplicacións de ADN, construír nanoestructuras máis robustas e sacar máis partido ás capacidades dos aptameros ou das encimas ADN. Paira evitar que os nós dos ácidos nucleicos convértanse en vello na boca, hai que seguir investigando, xa que este material necesario paira a vida ten moito que dicir fóra das células e está nas nosas mans soltar os nós e profitar as opcións.

Bibliografía

[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). Tecnoloxías dispoñibles: 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). Estrutura 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 (pp. 423–444). The Royal Society of Chemistry. DOI: 10.1039/9781788011839-00423

[6] Holliger, P. et. ao (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 ao. (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-dá