ANN ARBOR, Michigan.— Unas estructuras que dan un giro a la luz revelan pequeñas cantidades de ADN con una sensibilidad cincuenta veces mayor que los mejores métodos en uso actual, según ha mostrado una colaboración entre la Universidad de Michigan y la Universidad Jiangnan en China.
La detección altamente sensitiva de l ácido desoxirribonucleico puede ayudar en el diagnóstico de los pacientes, el esclarecimiento de crímenes y la identificación de los orígenes contaminantes tales como un patógeno en el agua corriente.
“En realidad no importa de dónde sea el ADN estudiado”, dijo Nicholas Kotov, Profesor Joseph B. y Florence V. Cejka de Ingeniería Kímica en la UM. “A fin de detectar un ADN específico sólo necesitamos conocer una porción pequeña de su secuencia”.
Los métodos actuales de análisis del ADN se sustentan en la copia de segmentos de una hebra de ADN. El proceso separa la hélix doble y luego hebras cortas, hechas en laboratorio, de ADN “cebadura” se adosan a cada mitad del ADN original. Estas “cebaduras” activan el proceso de copia usando el ADN separado como matriz. Lo segmentos de ADN que se intenta investigar pueden replicarse de esta forma duplicándose en cada ciclo. Si se produce suficiente ADN antes de que los errores de copia pasen a ser un problema mayor, luego en análisis puede mostrar si la muestra, por ejemplo, corresponde a un sospechoso.
Pero si las cebaduras eran muy selectivas para la secuencia de ADN sospechosa, entonces puede determinarse una correspondencia simplemente detectando si el ADN se había copiado o no. Los estudios revelaron que podían observarse pequeñas cantidades de ADN cuando se adosaban a las cebaduras nanopartículas de oro esféricas. Si el ADN corresponde al sospechoso, en el proceso de replicación se formarían ristras de partículas enlazadas con el ADN. La solución de nanopartículas cambiaría el color de rojo a azul, debido a la forma en que las ristras de partículas interactúan con la luz.
“Se alcanzaron límites de detección impresionantes para ADNs cortos con las nanopartículas, pero no para los ADN largos”, dijo Kotov.
El problema, explicó, es que si las partículas están separadas por más de unos pocos nanómetros, esto es millonésimas de un milímetro, “no interactúan fuertemente y el color azul no aparece”. Las hebras más largas se necesitan para diferenciar entre especies e individuos con mayor precisión.
“Si las hebras son demasiado cortas, uno podría confundir el ADN de un asesino con el del perro de un amigo, o podría marcar como cáncer maligno de estómago con una pieza de burrito de pollo”, añadió Kotov.
Kotov y su colega Chuanlai Xu, profesor de ciencia y tecnología de alimentos en la Universidad Siangnan de china, encabezaron un esfuerzo para determinar si un cambio óptico más sutil funcionaría para distancias más largas.
En lugar de usar nanopartículas esféricas el equipo empezó con nanovaras, con la forma de pequeñas velas Mike and Ike, de unos 62 nanómetros de largo y 22 nanómetros de diámetro. Los investigadores adosaron la cebadura de ADN a los lados de estas varas.
Cuando se pone a las nanovaras en fila tienden a desalinearse en unos diez grados. Después de unas pocas rondas de copia, el oro y las estructuras de ADN parecían escaleras de cuerdas retorcidas. La luz que pasó a través de la espiral de púas doradas reaccionó rotando.
“Se puede rotar la luz aún cuando las nanovaras están lejos una de la otra”, dijo Kotov. “Esto da a nuestros métodos una ventaja tremenda de sensibilidad para las hebras de ADN largas”.
La rotación ocurre porque la luz está compuesta de ondas eléctricas y magnéticas que se mueven en tándem, y los campos eléctricos y magnéticos ejercen fuerzas sobre las partículas cargadas que tienen la libertad para moverse tal como los electrones en los metales. Los electrones en el oro responden muy bien a la frecuencia de las ondas de luz visible y por eso empiezan a moverse hacia adelante y hacia atrás en el oro sincronizados con la luz. Este efecto es bidireccional: los electrones que se mueven en el oro también pueden afectar las ondas de luz.
Kotov compara la luz a una cuerda a lo largo de la cual hay ondulaciones.
“Imagínese, ahora, que el aire en torno a la cuerda pueda moverse con más facilidad a lo largo de ciertas direcciones”.
En el caso de la luz que pasa a través de las nanovaras de oro, es más fácil si la onda eléctrica se mueve hacia arriba y hacia abajo a lo largo de las nanovaras, de forma que la luz rota a medida que pasa de una nanovara a otra nanovara y continúa retorciéndose después que sale de la estructura. Y dependiendo de que la luz comience a rotar en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido opuesto, percibe la torsión de las nanovaras principalmente como longitudes de onda diferentes.
“Para los propósitos analíticos esto es un regalo”, dijo Kotov.
Las dos cimas en la magnitud de torcedura para la luz en sentido de las agujas del reloj y en sentido opuesto pueden sumarse, lo cual conduce a una seña más fuerte y permite que el método identifique una correspondencia con cantidades de ADN más pequeñas.
“La fuerza de rotación alcanza el máximo cuando la brecha entre las nanovaras es de 20 nanómetros, lo cual es exactamente lo que necesitamos para la detección de hebras de ADN largas, selectivas y específicas de especie”, dijo Kotov. “Los cálculos presentados muestran que podríamos incrementar la sensibilidad aún más en el futuro y para ADNs aún más largas”.
El artículo titulado “Attomolar DNA detection with Chiral Nanorod Assemblies”, se publicará el 28 de octubre en Nature Communictions. Kotov es profesor de ingeniería química, ingeniería biomédica, ciencia e ingeniería de materiales, y ciencia e ingeniería macromolecular.
Este trabajo lo financiaron el Departamento de Energía y la Fundación Nacional de ciencia, de Estados Unidos; la Fundación Nacional de ciencia Natural de China, el Ministerio de Ciencia y Tecnología de china, y donaciones de los Ministerios de Finanzas y Educación en la provincia Jiangsu, China.
