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Nueva técnica de imágenes de nanotecnología arroja luz sobre la estructura del ADN

Para los biólogos de todas partes, el 25 de abril es auspicioso. Es el Día del ADN y conmemora la fecha en 1953 cuando los científicos Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson y Maurice Wilkins publicaron documentos científicos seminales que describen la estructura helicoidal de la molécula de ADN. En 2003, el 25 de abril se utilizó para anunciar la finalización del Proyecto Genoma Humano. Ahora las festividades anuales en este día celebran la molécula de la vida con nuevos descubrimientos. Qué mejor momento para proporcionar una nueva imagen del ADN.

Soy DNA DAVE (o al menos mi placa desde 1984 lo dice), y una de las cosas que a mi laboratorio le gusta hacer es "ver" DNA. Tomamos imágenes de ADN para poder medir directamente cosas que son difíciles de cuantificar utilizando métodos indirectos que generalmente implican la secuenciación de las cuatro unidades químicas de ADN, llamadas bases.

Imagen de ADN La primera imagen reveladora de ADN tomada con difracción de rayos X. (Raymond Gosling / King's College de Londres)

Por ejemplo, me gustaría saber en qué parte de cada cromosoma comienza el proceso de replicación del ADN. La duplicación de ADN sin errores es esencial para producir células sanas. Cuando este proceso está incompleto o interrumpido, el resultado puede causar cáncer y otras enfermedades.

En nuestra imagen, esa familiar escalera de doble hélice no es visible porque esta perspectiva está alejada, como mirar el mapa de un país versus una ciudad. Además, cada una de estas moléculas equivale a 50, 000 vueltas de la escalera helicoidal, un segmento sustancial de un cromosoma humano.

Hacer un mapa de ADN

Método de imagen de nanotecnología de ADN

Esta imagen, tomada con un dispositivo llamado generador de imágenes Bionano Genomics Saphyr, presenta moléculas de ADN individuales, coloreadas en azul, verde y rojo. Estas cadenas de ADN se han alineado al enroscarlas a través de tubos estrechos, llamados nanocanales, que se ajustan a una sola pieza de ADN. A medida que el ADN se desliza dentro del tubo, las hebras se enderezan.

Toda la molécula de ADN es de color azul y las marcas de verificación verdes son puntos de referencia, o secuencias específicas de ADN que se producen en promedio cada 4.500 pares de bases. El patrón de puntos de referencia proporciona una huella digital única que nos dice dónde estamos a lo largo de un cromosoma. Las señales fluorescentes rojas marcan las ubicaciones donde el ADN ha comenzado a replicarse. Estos sitios se denominan "orígenes de replicación" y es donde el ADN se desenrolla primero para que pueda comenzar el proceso de duplicación.

Los investigadores de Bionano Genomics en San Diego desarrollaron esta tecnología de nanocanales para trazar regiones de cromosomas que de otro modo no se podían mapear, debido a las secuencias genéticas difíciles que dificultan determinar el orden de las cuatro bases. Este dispositivo resolvió el problema al "observar" la disposición de las secuencias en una molécula a la vez y es capaz de leer 30 mil millones de pares de bases en una hora, el equivalente a 10 genomas humanos.

Mi equipo y el de Nick Rhind en la Universidad de Massachusetts reconocieron que esta tecnología de nanocanales nos permitiría realizar un experimento nunca antes intentado: mapear todas las ubicaciones donde la replicación de ADN comienza simultáneamente en millones de fibras de ADN individuales.

Antes de que una célula pueda dividirse en dos células independientes, el ADN debe hacer una copia de sí mismo para que cada una reciba un conjunto completo de cromosomas. Para comprender cómo se duplica el material genético, es esencial saber dónde comienza el proceso a lo largo del cromosoma. Ese ha sido el mayor desafío para estudiar cómo se produce la replicación de nuestros propios cromosomas y, en consecuencia, qué está ocurriendo en tantas enfermedades, como el cáncer, en las que la replicación falla.

Replicación de ADN y Cáncer

Diagrama de replicación de ADN Cada vez que una célula se divide, la doble hélice del ADN debe duplicarse para proporcionar una copia de las instrucciones genéticas a ambas células. (Soleil Nordic / Shutterstock.com)

Los orígenes de la replicación han sido esquivos porque se producen en muchos sitios en diferentes moléculas, por lo que debemos observar moléculas de ADN individuales para detectarlas. Si bien los científicos han podido ver moléculas de ADN individuales desde principios de la década de 1960, no pudimos determinar de dónde provenían las moléculas de los cromosomas, por lo que no pudimos mapear nada.

Kyle Klein, Ph.D. estudiante en mi laboratorio, etiquetó las células madre humanas vivas con moléculas fluorescentes rojas que marcaban los lugares donde se realizaba la replicación del ADN, que se mapearon con el dispositivo Bionano. Estas imágenes se superpusieron luego en los mapas de ADN azul y verde de las mismas moléculas de ADN.

Esperamos que este método transforme por completo nuestra comprensión de cómo se replican los cromosomas humanos. Además, dado que la mayoría de los medicamentos de quimioterapia para el tratamiento del cáncer y la mayoría de los carcinógenos, o químicos que causan cáncer, en nuestro entorno funcionan atacando el ADN cuando se replica, esperamos que este método proporcione una prueba rápida y completa de cómo estos químicos interrumpen la replicación del ADN. También esperamos que revele cómo podríamos aliviar estas consecuencias negativas y cómo podríamos desarrollar tratamientos de quimioterapia mejores y menos tóxicos.


Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. La conversación

David M. Gilbert, profesor de biología molecular, Universidad Estatal de Florida

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