En un polímero cuidadosamente diseñado, los investigadores del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia han impreso una secuencia de una sola cadena de ADN. El negativo resultante permaneció químicamente activo y fue capaz de unir las nucleobases apropiadas formando un código genéticoLa matriz polimérica, la primera de su tipo en la historia, funcionó exactamente como una secuencia de ADN real.
La impresión de moléculas químicas en un polímero, o impresión molecular, es un método bien conocido que se ha estado desarrollando durante muchos años. Sin embargo, nunca nadie lo ha usado para construir una cadena de polímero que complemente una secuencia de una solacadena de ADN. Esta hazaña acaba de ser realizada por investigadores del Instituto de Química Física de la Academia Polaca de Ciencias IPC PAS en Varsovia en colaboración con la Universidad del Norte de Texas UNT en Denton, Estados Unidos, y la Universidad deMilán, Italia. En un polímero adecuadamente seleccionado, reprodujeron una secuencia de ADN genéticamente importante, construida con seis nucleobases.
Normalmente, la impresión molecular se realiza en varios pasos. Las moléculas destinadas a la impresión se colocan primero en una solución de monómeros es decir, los "bloques de construcción" básicos a partir de los cuales se formará el futuro polímero. Los monómeros se seleccionan de manera quepara organizarse automáticamente alrededor de las moléculas que se imprimen. A continuación, el complejo resultante se polimeriza electroquímicamente y luego las moléculas impresas se extraen de la estructura fija. Este proceso da como resultado una estructura de polímero con cavidades moleculares que coinciden con las moléculas originales con su tamaño y forma,e incluso sus propiedades químicas locales.
"Con la impresión molecular, podemos producir, por ejemplo, películas de reconocimiento para sensores químicos, capturando moléculas de un compuesto químico específico de los alrededores, ya que solo estas moléculas se ajustan a las cavidades moleculares existentes. Sin embargo, no hay rosa sin espinaLa impresión molecular es perfecta para moléculas químicas más pequeñas, pero cuanto más grande es la molécula, más difícil es imprimirla con precisión en el polímero ", explica el profesor Wlodzimierz Kutner IPC PAS.
Las moléculas de ácido desoxirribonucleico, o ADN, son realmente grandes: sus longitudes son del orden de centímetros. Estas moléculas generalmente consisten en dos hebras largas, emparejadas entre sí. Una hebra está compuesta de nucleótidos con múltiples repeticiones, cada uno de los cuales contiene una de las nucleobases: adenina A, guanina G, citosina C o timina T. Las bases en ambas cadenas no están dispuestas libremente: la adenina en una cadena siempre corresponde a la timina enel otro, y la guanina a la citosina. Entonces, cuando tenemos un hilo, siempre podemos recrear su complemento, que es el segundo filamento.
La complementariedad de las nucleobases en las cadenas de ADN es muy importante para las células. No solo aumenta la permanencia del registro del código genético el daño en una cadena puede repararse en función de la construcción de la otra, sino que tambiénes posible transferirlo de ADN a ARN en el proceso conocido como transcripción. La transcripción es el primer paso en la síntesis de proteínas.
"Nuestra idea era tratar de imprimir en el polímero una secuencia de un ADN monocatenario. Al mismo tiempo, queríamos reproducir no solo la forma de la cadena, sino también el orden secuencial de las nucleobases constituyentes".dice el Dr. Agnieszka Pietrzyk-Le IPC PAS.
En el estudio, financiado en el lado polaco por subvenciones de la Fundación para la Ciencia Polaca y el Centro Nacional para la Ciencia, los investigadores del IPC PAS utilizaron secuencias del código genético conocido como TATAAA. Esta secuencia juega un papel biológico importante:participa en la decisión sobre la activación del gen detrás de él. TATAAA se encuentra en la mayoría de las células eucariotas aquellas que contienen un núcleo; en los humanos está presente en aproximadamente cada cuarto gen.
Un paso clave de la investigación fue diseñar monómeros sintéticos sometidos a polimerización electroquímica. Debían ser capaces de rodear con precisión la molécula impresa de tal manera que cada una de las adeninas y timinas en la cadena de ADN estuvieran acompañadas por sus bases complementarias.Los requisitos mecánicos también eran importantes, porque después de la polimerización la matriz tenía que ser estable. El grupo del Prof. Francis D'Souza UNT sintetizó monómeros adecuados.
"Cuando se han preparado todos los reactivos y aparatos, la impresión del oligonucleótido TATAAA no es especialmente complicada. Los procesos más importantes tienen lugar automáticamente en soluciones en no más de unas pocas docenas de minutos. Finalmente, en el electrodo utilizado paraelectropolimerización, obtenemos una capa de polímero conductor con cavidades moleculares donde las nucleobases están dispuestas en la secuencia TTTATA, es decir, complementarias al original extraído ", describe la estudiante de doctorado Katarzyna Bartold IPC PAS.
¿Las matrices de polímeros preparadas de esta manera realmente reconstruyen la secuencia original de la cadena de ADN? Para responder a esta pregunta, en el IPC PAS se realizaron mediciones cuidadosas de las propiedades de los nuevos polímeros y se realizó una serie de experimentos que confirmaroninteracción de los polímeros con varias nucleobases en soluciones. Los resultados no dejan dudas: el ADN negativo del polímero realmente es químicamente activo y se une selectivamente al oligonucleótido TATAAA, reproduciendo correctamente la secuencia de nucleobases.
La posibilidad de la producción relativamente simple y de bajo costo de equivalentes poliméricos estables de secuencias de ADN es un paso importante en el desarrollo de la genética sintética, especialmente en términos de sus aplicaciones generalizadas en biotecnología y medicina molecular. Si hay una mejora en el métododesarrollado en el IPC PAS se logra en el futuro, será posible reproducir secuencias más largas del código genético en matrices de polímeros, lo que abre perspectivas inspiradoras asociadas no solo con el aprendizaje de los detalles del proceso de transcripción en las células o la construcciónde quimiosensores para aplicaciones en nanotecnologías que operan en cadenas de ADN, pero también con el archivo permanente y la replicación del código genético de diferentes organismos.
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Materiales proporcionados por Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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