Una mirada sobre el ADN
(02/20/2013)

By: Agnese Callegari

Sabemos bastante acerca de nuestro código genético, el ADN. Conocemos su composición, su estructura y su función. Sin embargo, todavía no pudimos observar la famosa estructura de doble hélice directamente. Por medio de técnicas microscópicas eficaces, ahora es posible observar los espirales primarios de un conjunto de ADN. 


El ADN es una gota sobre una superficie superhidrofóbica. Vista artística del proceso de evaporación: el agua no se puede adherir a la superficie superhidrofóbica, mientras que los conjuntos de ADN permanecen suspendidos y bien tensos. Créditos de las imágenes: E. di Fabrizio y colaboradores.

Ejemplo de un patrón de difracción. Vista desde el espacio de las Islas Sandwich, en el océano Pacífico. Se puede observar claramente el patrón de difracción formado por las olas después de que alcanzan las islas emergentes. Créditos de las imágenes: Nasa, Observatorio de la Tierra.

Imagen microscópica electrónica de transmisión de un conjunto de ADN. Imagen de un conjunto de ADN obtenida por medio de la microscopía electrónica de transmisión. Se puede observar el patrón periódico de los espirales. Créditos de las imágenes: E. di Fabrizio y colaboradores.
ADN: la molécula de vida. Sabemos mucho sobre el ADN. Tiene un papel central en la reproducción y la evolución de los organismos vivos. Es una molécula muy larga con forma de doble hélice; esta estructura de doble hélice es la que todavía no pudimos observar directamente. Un grupo de científicos italianos del Instituto Italiano de Tecnología (IIT) en Génova, el Instituto IMEM-CNR en Parma y la Universidad de Magna Graecia en Catanzaro, dirigidos por Enzo di Fabrizio, obtuvo una imagen directa de un conjunto de ADN que muestra, con una definición muy alta, los espirales periódicos del ADN.

El enfoque clásico para determinar la distribución espacial del ADN se basa en patrones de difracción con rayos X de cristales de ADN. Los métodos de difracción son difíciles de comprender por parte de personas ajenas al tema debido a que son indirectos y requieren de una gran cantidad de análisis de datos a fin de producir una imagen del objeto. Imagínese que está sobre un puente y quiere saber si hay alguna roca que emerge por debajo del agua. Puede inferirlo del patrón formado por las ondículas sobre la superficie del agua. Es más, incluso puede reconstruir la forma de las rocas a partir de este patrón de difracción. O bien, simplemente puede observar las rocas.

En el caso del ADN, el análisis de los patrones de difracción es una técnica muy eficaz, sólida y confiable para revelar su estructura (y la estructura de la mayoría de las moléculas). La receta es la siguiente: primero, se desarrolla un cristal de ADN a partir de material genético. Luego se irradian rayos X sobre el cristal. De esta manera se recoge la radiación dispersada que, a su vez, forma un patrón de difracción debido a la superposición de toda la radiación dispersada. Finalmente, se debe reconstruir la estructura molecular compatible con el patrón de difracción medido. Con este método, J. Watson y F. Crick descubrieron la doble hélice en 1956 [1], un descubrimiento que les concedió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1962. Sea como fuere, observar directamente el ADN sería una forma más precisa de aprender más acerca de sus propiedades. Después de todo, ver para creer.

No se puede tomar una imagen de ADN con una cámara digital estándar, debido a que las características de una molécula de ADN son extremadamente pequeñas: se encuentran a escala atómica. Esto es mucho más pequeño que la longitud de onda de la luz visible, que es lo que finalmente determina el límite de resolución de una cámara. La longitud de onda de la luz visible es de varios cientos de nanómetros: la longitud de varios miles de átomos en una fila. Por lo tanto, di Fabrizio y sus colegas utilizaron una técnica conocida como Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) que emplea electrones de alta energía en vez de fotones. Los electrones de alta energía se pueden utilizar para obtener una resolución a escala atómica, ya que su longitud de onda es mucho más pequeña que la de la luz visible y mucho más pequeña que la longitud de onda de las distancias atómicas típicas.

Di Fabrizio y sus colegas tenían la intención de obtener una imagen de un conjunto de ADN. Necesitaban un conjunto de ADN bien estirado, largo y aislado a fin de poder obtenerla. Decidieron suspender el ADN entre dos nanopilares, como si estuviera sobre un tendedero estirado entre dos polos, otra técnica desarrollada por este equipo de investigadores [2]. Básicamente, la idea era preparar una solución acuosa con parte de ADN y colocarla sobre los dos nanopilares vecinos, de manera que, ni bien el agua se evaporara, algunos conjuntos de ADN permanecieran estirados entre los pilares. Debido a que di Fabrizio y su equipo utilizaron la técnica de microscopía electrónica de transmisión para tomar una imagen del ADN, tuvieron que recolectar los electrones transmitidos después de la interacción. Por lo tanto, perforaron orificios en el sustrato entre los dos pilares vecinos. "Pudimos suspender el ADN entre los pilares sobre una superficie superhidrofóbica", comenta di Fabrizio. "En ese punto, se me ocurrió que, al quitar el fondo del sustrato, la imagen TEM mejoraría mucho. En ese momento pensé que el concepto de ‘suspendido’ debía combinarse con el de ‘libre de sustrato’".

Com essa técnica, a equipe conseguiu obter uma imagem de uma cadeia bastante fina e tensa de DNA, formada por 7 filamentos de DNA, um no meio e seis dispostos simetricamente à sua volta. Na imagem de MET, é possível observar as distorções periódicas da hélice externa. Agora, eles estão trabalhando para obter uma imagem de um único filamento, e para, possivelmente, conseguir resolver bases únicas de DNA. De acordo com di Fabrizio, a expectativa é de obter mais informações sobre os mecanismos que regulam a expressão dos genes através da observação das modificações na estrutura externa de DNA, ligadas à ativação ou desativação de um par de genes.

[1] J.D. Watson & F.H.C. Crick, A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid, Nature 171, 737-738 (1953).

[2] F. De Angelis et al., Breaking the diffusion limit with super-hydrophobic delivery of molecules to plasmonic nanofocusing SERS structures, Nature Photon. 5, 682-687 (2011).

Agnese Callegari

2013 © Optics & Photonics Focus

AC atualmente trabalha como pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Bilkent, em Ankara, na Turquia.

Francesco Gentile, Manola Moretti, Tania Limongi, Andrea Falqui, Giovanni Bertoni, Alice Scarpellini, Stefania Santoriello, Luca Maragliano, Remo Proietti Zaccaria & Enzo di Fabrizio, Direct Imaging of DNA Fibers: The Visage of Double Helix, Nanoletters (2012) 12, 6453–6458 (link).


 


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