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¿Cuánta fuerza se necesita para estirar el ADN?

El ADN es una verdadera obra de arte del mundo natural. Tan sólo está formado por 6 moléculas diferentes —4 bases nitrogenadas, un azúcar pentosa y un grupo fosfato— y es capaz de construir a un ser vivo por completo. El ADN está formado por dos cadenas de nucleótidos complementarias. Cada nucleótido está formado por una base nitrogenada, una pentosa y un grupo fosfato, donde la Adenina y la Citosina de una cadena se emparejará con la Timina y la Guanina de la otra, respectivamente.

DNA-package

El ADN no es una cadena lineal, sino tiene una forma helicoidal. El ADN es tan largo que debe enrollarse y empaquetarse de tal manera que sea capaz de caber dentro de cada célula (en el núcleo, si es eucariota). Es por esta razón que, dentro de las células, el ADN está constantemente sujeto a torsiones, estiramientos, dobleces y separación de las cadenas complementarias, la cual es realizada por una gran variedad de proteínas para que así la maquinaria de replicación y transcripción del ADN puedan hacer su trabajo.

Entonces, para poder entender este esencial proceso biológico, primero debemos saber a qué fuerzas mecánicas se encuentra sujeto el ADN y cómo hace para lidiar con ellos.

Durante las dos últimas décadas, se han realizado muchos trabajos tratando de entender las propiedades elásticas del ADN. Uno de los pioneros fue el reconocido biólogo peruano Carlos Bustamante de la UC Berkeley, quien junto a sus colaboradores determinaron que el ADN necesitaba una fuerza de ~65pN (picoNewton = 10-12 Newton) para alcanzar su longitud máxima, que era un 70% más grande de lo normal (la forma B del ADN).

Estos estudios se hicieron gracias al desarrollo de las pinzas ópticas. Esta técnica se basa en el uso de un rayo láser para ejercer una fuerza atractiva o repulsiva en el orden de los picoNewton. Lo que se hace primero es ‘pegar’ cada extremo de la molécula de ADN un par de esferas microscópicas hechas de poliestireno y recubiertas de estreptavidina. Para ello, las moléculas de ADN deben tener unido a cada uno de sus extremos una molécula de biotina (ADN biotinilado). La biotina y la estreptavidina forman uno de los enlaces químicos más fuertes que se conocen hasta la actualidad. Finalmente, el láser jalará y estirará la molécula de ADN.

pinza-optica

Y para que capten mejor la idea… en video:

Sin embargo, los modelos matemáticos propuestos por Bustamante, Wang, Marko, entre otros, los cuales se basaban en el Modelo de Cadena Tipo Gusano (WLC), el cual es muy usado en la física para determinar la elasticidad de los polímeros, considerando al ADN como una varilla homogénea y rígida, no puede explicar el comportamiento de la molécula de ADN a fuerzas superiores a los 35pN.

La falla en el modelo WLC se debe a que no se considera a la estructura helicoidal y la secuencia del ADN como un factor importante en su elasticidad. Esto se debe a que la unión entre una Adenina y una Timina será más débil que una Guanina y una Citosina, por que la primera tiene sólo dos puentes de hidrógeno, mientras que la segunda tiene tres. Por otro lado, tampoco se consideró la extensión y torsión del ADN —dos principales parámetros de elasticidad— de manera acoplada, aunque, cómo afecta ello a la elasticidad aún no ha podido ser determinado.

DNA-overstretching

En la figura vemos lo que pasa a medida que aumenta la fuerza de estiramiento sobre la molécula de ADN. La línea azul es lo que se esperaría si el ADN se comporta bajo el modelo de cadena tipo gusano (WLC). Sin embargo se observa que aproximadamente a los 35pN, el comportamiento del ADN se desvía del modelo WLC (línea negra, I, morado), y a los 65pN, el comportamiento del ADN se hace irregular (línea negra, II, celeste) y es porque las dos hebras complementarias se van separando (“unpeeling”) debido al sobre-estiramiento. El cuadro chiquito muestra el proceso inverso, cuando la fuerza de estiramiento de reduce y las hebras complementarias se vuelven a emparejar.

Estos datos de gran resolución y exactitud fueron obtenidos por Gross et al. usando también las pinzas ópticas, además de moléculas afines por el ADN de hebra simple marcadas con fluorescencia para hacer un seguimiento mientras las hebras complementarias se iban separando. Gracias a estos datos pudieron elaborar un modelo matemático que se ajustó más al comportamiento experimental de la molécula de ADN sometida a un sobre-estiramiento, corrigiendo las falencias que tuvo el modelo WLC. Los resultados fueron publicados ayer en Nature Physics.

DNA-overstretching2

Para terminar, y hacer un breve resumen ya que me parece que el artículo estuvo un poco denso, Gross et al. lograron desarrollar un modelo matemático más preciso ya que consideraron tanto la estructura helicoidal de la cadena de ADN como las secuencias de nucleótidos. Estas dos características son muy importantes ya que en ellas se basan las interacciones de ADN con proteínas como los factores de transcripción, helicasas, topoisomerasas, etc., las cuales necesitan estirar, abrir, doblar, torcer el ADN para ejercer su función.

El ADN se empieza a estirar ni bien se le aplica una fuerza muy débil sobre ella. Luego, pasa a tener un comportamiento típico elástico (a partir de los ~5pN), en el cual se requiere más fuerza por unidad de longitud hasta que empieza a adquirir otro tipo de comportamiento, cuando se alcanza los 35pN, que es cuando la molécula de ADN empieza a alcanzar su longitud de persistencia (longitud máxima promedio en la cual el ADN se vuelve una cadena rígida). Finalmente, a partir de los 65pN una de las hebras complementarias (la que no está sujeta a la esfera) empieza a liberarse, formando una estructura secundaria. Este proceso es reversible, ya que a medida que se reduce la fuerza de estiramiento, la cadena de ADN regresa a su estado original.


Referencia:

ResearchBlogging.orgGross, P., Laurens, N., Oddershede, L., Bockelmann, U., Peterman, E., & Wuite, G. (2011). Quantifying how DNA stretches, melts and changes twist under tension Nature Physics DOI: 10.1038/nphys2002

Esta entrada participa del XIX Carnaval de la Física cuyo anfitrión es Scientia.

Comentarios

  1. Hola David. Soy profesora de Biología y me gustó tu artículo, a pesar que no estuvo muy fácil.
    Creo que haces divulgación científica para científicos y para los legos nos cuesta más mantener la atención en estos textos. Gracias.

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