Nuevo giro del ADN

NOTICIAS DE LA CIENCIA Y LA TECNOLOGIA
Vol. I, No. 159
Miércoles, 13 de Agosto de 2003

Utilizando un conjunto de láseres, minúsculas bolitas y un juego de ladrillos Lego, investigadores del Instituto Médico Howard Hughes han tomado la primera medida de la elasticidad torsional, o de torsión, de una única molécula de ADN.

Las mediciones revelan que el ADN es significativamente más rígido de lo
que se pensaba con anterioridad y que, cuando está enrollado, podría
proporcionar la suficiente energía como para comportarse como un tipo de
motor molecular de cintas elásticas que serviría para propulsar
nanomáquinas. Aunque este uso podría darse en un futuro lejano, los
estudios son importantes porque ofrecen una base para medir las
contorsiones que experimenta el ADN durante la replicación y otros procesos
claves.

Los investigadores, conducidos por el investigador del Instituto Médico
Howard Hughes Carlos Bustamante, publicaron su trabajo en el número del 17
de julio de 2003 de la revista Nature. Bustamante y los dos autores
principales del artículo, los estudiantes de doctorado Zev Bryant y Michael
Stone, se encuentran en la Universidad de California, en Berkeley.

“Este descubrimiento es importante porque muchos de los procesos
implicados en la lectura de la información del ADN involucran la distorsión
de la molécula de ADN”, dijo Bustamante. “Para verdaderamente comprender
estos procesos necesitamos entender los costos energéticos presentes en la
interacción entre la proteína que induce la distorsión y el ADN”.

Hace casi diez años, Bustamante y sus colegas midieron la elasticidad de
extensión del ADN de una sola cadena, uniendo uno de los extremos de una
molécula de ADN a minúsculas bolitas. Utilizando un instrumento de “pinzas
magnéticas” láser, los investigadores aplicaron de forma precisa una fuerza
conocida para estirar la molécula. Sin embargo, la medición de la rigidez
de torsión de la molécula resultó mucho más difícil.

“Durante casi siete años, no pude convencer a ningún estudiante de
doctorado o de postdoctorado de que realizara estos experimentos”, dijo
Bustamante. “Les decía cuál era mi idea, que pensaba que era fantástica y
me miraban, sonreían y me decían: `Sí, sí, fantástico, qué linda idea, ¿qué
más?' Finalmente, Zev y Mike vinieron a mi oficina y me dijeron: `Vamos a
tratar de hacer este experimento loco tuyo. No va a funcionar, pero lo
vamos a intentar de todas formas'”.

El plan de Bustamante consistía en unir los extremos de una única molécula
de ADN a dos minúsculas bolitas tal cual lo habían hecho antes. Sin
embargo, en los experimentos de medición de torsión, los investigadores
“cortaron” después bioquímicamente un punto de ADN de doble cadena para
unir un único eslabón químico. Cerca de este corte, del lado de la bolita
rotatoria, los científicos unieron una tercera bolita “indicadora”. Luego,
enroscaron rápidamente la molécula de ADN miles de veces (mientras que
sostenían fija la bolita rotatoria con flujo) utilizando un robot giratorio
construido con ladrillos Lego. Después del proceso de enroscamiento,
detuvieron el flujo y observaron cómo la molécula de ADN se desenroscaba
siguiendo el giro de la bolita rotatoria en tiempo real.

Al medir los giros resultantes de una serie de bolitas indicadoras de
distintos diámetros a medida que se desenroscaba la molécula, los
investigadores obtuvieron información que pudieron analizar para medir la
rigidez de torsión de la molécula de ADN.

Bustamante y sus colegas descubrieron con este análisis que la molécula de
ADN era cerca de un 40 por ciento más resistente a la torsión de lo que
otros investigadores habían publicado. “Estamos muy sorprendidos y
entusiasmados con este resultado porque representa la primera medida
directa de la rigidez de torsión de una única molécula de ADN”, dijo
Bustamante. “Las otras mediciones fueron realizadas en grupos de moléculas
y fueron indirectas”.

Según Bustamante, la medición concluyente de la elasticidad de torsión
permitirá a los investigadores comprender mejor el “reparto” de energía
mecánica cuando una molécula de ADN se retuerce durante los procesos
biológicos. A pesar de que alguna fracción de energía tuerce la espiral de
doble cadena de la molécula, otra fracción crea la “contorsión” -torsión de
una molécula como si fuera una soga retorcida excesivamente-. “Este valor
de más del cuarenta por ciento nos dice que podríamos necesitar revisar
nuestras ideas sobre tal reparto”, dijo Bustamante.

La capacidad de medir la torsión molecular permitirá la realización de una
nueva clase de experimentos para estudiar el comportamiento mecánico de las
enzimas proteicas que interactúan con la molécula de ADN. Por ejemplo,
Bustamante y sus colegas están utilizando actualmente el mismo aparato
experimental para explorar la forma en la que la enzima ADN polimerasa -la
cual copia una sola hebra de ADN extendiéndose a lo largo del filamento-
ejerce torsión sobre el filamento de ADN a medida que trabaja.

Lo que es más especulativo, dijo Bustamante, es la idea de que la molécula
de ADN podría proporcionar energía a nanomotores de tamaño molecular.
“Descubrimos que si se tira de la molécula de ADN, ésta se estirará
excesivamente y se desenrollará. Durante este proceso, la fuerza linear
mecánica aplicada al extremo de la molécula se transforma en la generación
de torsión. Si se relaja la molécula, se volverá a enroscar, generando
fuerza de torsión en la dirección opuesta. La molécula entonces se comporta
como un convertidor reversible de fuerza de torsión”, dijo Bustamante. “Si
se unieran elementos rotatorios a la molécula, cuando se tirase de la
molécula, comenzarían a rotar y harían que la molécula funcionase como un
motor”. (HHMI)

Información adicional en:
http://www.hhmi.org/news/bustamante2.html
http://www.hhmi.org/research/investigators/bustamante.html