Un equipo internacional que trabaja en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab ha capturado las primeras imágenes tridimensionales de alta resolución de segmentos individuales de ADN de doble hélice unidos en cada extremo a las nanopartículas de oro. Las imágenes detallan la flexibilidadestructura de los segmentos de ADN, que aparecen como cuerdas de salto a nanoescala.
Esta capacidad de imagen única, iniciada por los científicos de Berkeley Lab, podría ayudar en el uso de segmentos de ADN como bloques de construcción para dispositivos moleculares que funcionan como sistemas de suministro de fármacos a nanoescala, marcadores para investigación biológica y componentes para memoria de computadora y dispositivos electrónicos.También podría conducir a imágenes de proteínas importantes relacionadas con la enfermedad que han demostrado ser esquivas para otras técnicas de imagen y del proceso de ensamblaje que forma el ADN a partir de cadenas individuales separadas.
Las formas de las hebras de ADN en espiral, que se intercalaron entre nanopartículas de oro en forma de polígono, se reconstruyeron en 3-D utilizando una técnica de microscopio electrónico de vanguardia junto con un proceso de tinción de proteínas y un sofisticado software que proporcionaba detalles estructurales alescala de aproximadamente 2 nanómetros, o dos billonésimas de metro.
"No teníamos idea de cómo se vería el ADN de doble cadena entre las partículas de nanogold", dijo Gang "Gary" Ren, un científico de Berkeley Lab que dirigió la investigación. "Esta es la primera vez que visualiza directamente a un individuosegmento de ADN de doble cadena en 3-D ", dijo. Los resultados se publicaron en la edición del 30 de marzo de Comunicaciones de la naturaleza .
El método desarrollado por este equipo, llamado tomografía electrónica de partículas individuales IPET, había capturado anteriormente la estructura tridimensional de una sola proteína que desempeña un papel clave en el metabolismo del colesterol humano. Al tomar imágenes bidimensionales de la mismaObjeto desde diferentes ángulos, la técnica permite a los investigadores reunir una imagen tridimensional de ese objeto. El equipo también ha utilizado la técnica para descubrir la fluctuación de otra proteína flexible conocida, la inmunoglobulina humana 1, que juega un papel en nuestro sistema inmune.sistema.
Para este último estudio de nanoestructuras de ADN, Ren usó una técnica de estudio de haz de electrones llamada microscopía crioelectrónica cryo-EM para examinar muestras congeladas de ADN y nano-oro, y usó IPET para reconstruir imágenes 3-D de muestras teñidas con material pesadosales metálicas. El equipo también usó herramientas de simulación molecular para probar las variaciones de forma natural, llamadas "conformaciones", en las muestras, y comparó estas formas simuladas con observaciones.
Ren explicó que la dinámica naturalmente flexible de las muestras, como un hombre que agita los brazos, no puede detallarse completamente mediante ningún método que utilice un promedio de muchas observaciones.
Una forma popular de ver los detalles estructurales a nanoescala de muestras biológicas delicadas es formarlos en cristales y eliminarlos con rayos X, aunque esto no conserva su forma natural y las muestras de ADN y nano-oro en este estudio son increíblemente desafiantes paracristalizar. Otras técnicas de investigación comunes pueden requerir una colección de miles de objetos casi idénticos, vistos con un microscopio electrónico, para compilar una estructura tridimensional única y promedio. Pero esta imagen tridimensional puede no mostrar adecuadamente las fluctuaciones de forma natural de unobjeto dado.
Las muestras en el último experimento se formaron a partir de nanoestructuras de oro poligonales individuales, midiendo aproximadamente 5 nanómetros de diámetro, conectadas a hebras de segmentos de ADN individuales con 84 pares de bases. Los pares de bases son bloques de construcción químicos básicos que le dan al ADN su estructura. Cada ADN individualEl segmento y la nanopartícula de oro se comprimen naturalmente junto con un compañero para formar el segmento de ADN bicatenario con una partícula de oro en cada extremo.
Las muestras se congelaron rápidamente para preservar su estructura para el estudio con imágenes crio-EM, y la distancia entre las dos partículas de oro en muestras individuales varió de 20-30 nanómetros en función de las diferentes formas observadas en los segmentos de ADN. Los investigadores utilizaron unmicroscopio crioelectrónico en la fundición molecular de Berkeley Lab para este estudio.
Recogieron una serie de imágenes inclinadas de los objetos manchados y reconstruyeron 14 mapas de densidad electrónica que detallaban la estructura de muestras individuales utilizando la técnica IPET. Reunieron una docena de conformaciones para las muestras y descubrieron que las variaciones de la forma del ADN eran consistentes conlos que se midieron en las muestras de cryo-EM congeladas por flash. Las formas también fueron consistentes con las muestras estudiadas usando otros métodos de imagen y dispersión de rayos X basados en electrones y con simulaciones por computadora
Mientras que las reconstrucciones tridimensionales muestran la estructura básica a nanoescala de las muestras, Ren dijo que el siguiente paso será trabajar para mejorar la resolución a la escala subnanométrica.
"Incluso en este estado actual comenzamos a ver estructuras tridimensionales con una resolución de 1 a 2 nanómetros", dijo. "A través de una mejor instrumentación y mejores algoritmos computacionales, sería prometedor impulsar la resolución a esa visualizaciónhélice de ADN individual dentro de una proteína individual ".
La técnica, dijo, ya ha despertado el interés entre algunas compañías farmacéuticas prominentes e investigadores de nanotecnología, y su equipo científico ya tiene docenas de proyectos de investigación relacionados en proceso.
En futuros estudios, los investigadores podrían intentar mejorar la resolución de imagen para estructuras complejas que incorporan más segmentos de ADN como una especie de "origami de ADN", dijo Ren. Los investigadores esperan construir y caracterizar mejor los dispositivos moleculares a nanoescala usando segmentos de ADN que pueden,por ejemplo, almacenar y entregar medicamentos en áreas específicas del cuerpo.
"El ADN es fácil de programar, sintetizar y replicar, por lo que puede usarse como un material especial para autoensamblarse rápidamente en nanoestructuras y guiar el funcionamiento de dispositivos a escala molecular", dijo. "Nuestro estudio actual es solouna prueba de concepto para obtener imágenes de este tipo de estructuras de dispositivos moleculares "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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