Cientistas da Universidade de Cambridge, trabalhando com colaboradores internacionais, descobriram um processo chave que determina como o DNA se comporta ao passar através de poros em nanoescala. Este processo está subjacente a muitas atividades biológicas e ao rápido desenvolvimento de tecnologias de detecção de DNA. O estudo destaca uma estrutura de DNA há muito negligenciada chamada plectonemas, uma descoberta que pode influenciar futuros avanços na genômica e no biossensor.
Nanoporos são aberturas muito pequenas que permitem a passagem de uma única fita de DNA enquanto geram um sinal elétrico. Esses sinais ajudam os pesquisadores a analisar detalhadamente o material genético. Até agora, características importantes destes sinais foram mal compreendidas.
Por que os cientistas pensam que o DNA está formando nós
Durante anos, os pesquisadores pensaram que os complexos padrões elétricos vistos em experimentos com nanoporos eram causados por nós formadores de DNA. A ideia é fácil de imaginar. Cadarços enfiados em buracos estreitos tornam-se desiguais se ficarem emaranhados, e os cientistas levantam a hipótese de que o DNA se comporta da mesma maneira. Qualquer sinal irregular significa que o fio ficou com nós ao passar pelo orifício.
Esta interpretação influenciou a forma como os dados dos nanoporos foram interpretados durante décadas.
É a distorção, não o nó, que explica o sinal
O novo estudo, publicado na Physical Review X, mostra que esta suposição de longa data está muitas vezes errada. Durante a translocação dos nanoporos, o DNA muitas vezes se enrola em si mesmo, em vez de formar nós verdadeiros. Essas estruturas retorcidas são chamadas de plectonemas e se assemelham a fios telefônicos enrolados, em vez de nós com nós.
Esta distinção é importante porque as torções e os nós afetam os sinais elétricos de maneiras muito diferentes.
“Nossos experimentos mostram que, à medida que o DNA é puxado através de um nanoporo, o fluxo de íons em seu interior torce a fita de DNA, acumulando torque e enrolando-a em bobinas, em vez de apenas nós. Essa estrutura torcida ‘oculta’ tem uma impressão digital única e duradoura no sinal elétrico que é distinta da assinatura mais efêmera do nó, “explicou o autor principal Fei Cheng, Ph.D., do Laboratório Cavendish.
Experiência aponta para um mecanismo ausente
Para chegar a esta conclusão, os pesquisadores testaram o DNA sob várias voltagens e condições usando nanoporos de vidro e nitreto de silício. Eles notaram que os chamados eventos de “emaranhado”, nos quais múltiplos fragmentos de DNA ocupam os poros simultaneamente, ocorriam com muito mais frequência do que a teoria dos nós poderia explicar.
À medida que a voltagem aumenta e as cadeias de ADN ficam mais longas, estes eventos tornam-se mais frequentes. Esse padrão sugere outra força em ação.
Como o movimento da água distorce o DNA
A equipe descobriu que essa distorção vem do fluxo eletroosmótico, o movimento da água impulsionado por um campo elétrico dentro do nanoporo. À medida que a água flui através do DNA, ela exerce uma força rotacional na molécula helicoidal. Esse torque se propaga ao longo do fio, fazendo com que a parte fora do furo se enrole em uma bobina.
Ao contrário dos nós, que se apertam sob tensão e muitas vezes desaparecem rapidamente, os corpos dos fios cutâneos podem aumentar de tamanho e permanecer presentes durante todo o processo de translocação. Simulações computacionais aplicando forças e torques reais confirmaram esse comportamento e mostraram que a formação do córtex depende da capacidade do DNA de transmitir torção ao longo de seu comprimento.
A torção de bloqueio confirmou a descoberta
Para testar ainda mais esta ideia, os investigadores criaram ADN “cortado”, cadeias de ADN que foram interrompidas em pontos específicos. Essas interrupções impediram que a torção se espalhasse ao longo da molécula e reduziram drasticamente a formação de espirais durante o experimento.
Este resultado confirma que a propagação da distorção é crucial para este processo. Também sugere novas maneiras pelas quais os nanoporos poderiam ser usados para detectar danos no DNA, uma vez que as quebras dos fios interferem no comportamento de torção.
Leia sinais de DNA com nova precisão
“O que é realmente poderoso aqui é que agora podemos diferenciar entre nós e dermátomos no sinal dos nanoporos com base na sua duração”, disse o co-autor do estudo, Professor Ulrich F. Kaiser, também do Laboratório Cavendish.
“Os nós se movem rapidamente, como colisões rápidas, enquanto os plectonemas permanecem e produzem um sinal estendido. Isso fornece um caminho para uma leitura mais rica e matizada da organização do DNA, da integridade do genoma e de possíveis danos.”
Implicações mais amplas para biologia e tecnologia
Essas descobertas vão além da detecção de nanoporos. Nas células vivas, quando as enzimas atuam no DNA, ele regularmente se torce e se emaranha. Nós e espirais desempenham papéis importantes tanto na organização quanto na estabilidade do genoma. Compreender como essas estruturas são formadas poderia melhorar os modelos de comportamento do DNA celular.
Para diagnóstico e biossensorização, a capacidade de detectar ou controlar distorções no ADN poderia levar a ferramentas mais sensíveis, capazes de identificar alterações genéticas subtis e sinais precoces de danos no ADN relacionados com doenças.
“Do ponto de vista da nanotecnologia, este estudo destaca o poder dos nanoporos não apenas como sensores sofisticados, mas também como ferramentas para manipular biopolímeros de novas maneiras”, concluiu Keyser.
