Cientistas da Universidade de Cambridge, em colaboração com colaboradores internacionais, identificaram um processo importante que determina como o DNA se comporta quando se move através de poros em nanoescala. Este processo é fundamental para muitas atividades biológicas e para o rápido desenvolvimento de tecnologias de detecção de DNA. O estudo destaca uma estrutura de DNA há muito negligenciada chamada plectonemas, uma descoberta que pode impactar futuros avanços na genômica e no biossensor.
Nanoporos são buracos muito pequenos através dos quais passam fitas simples de DNA, criando sinais elétricos. Esses sinais ajudam os pesquisadores a analisar detalhadamente o material genético. Até agora, características importantes destes sinais foram mal compreendidas.
Por que os cientistas pensaram que o DNA formava nós
Durante anos, os pesquisadores acreditaram que os padrões elétricos complexos observados em experimentos com nanoporos eram causados por nós formadores de DNA. A ideia era fácil de imaginar. Puxar um barbante através de um buraco estreito torna-se irregular quando o barbante fica emaranhado, e os cientistas levantaram a hipótese de que o DNA se comporta da mesma maneira. Acreditava-se que qualquer sinal irregular significava que o fio tinha ficado com nós ao passar pelo poro.
Esta explicação moldou a forma como os nanoporos foram interpretados durante décadas.
Voltas, não nós, explicam os sinais
Um novo estudo publicado na Physical Review X mostra que esta suposição de longa data tem sido frequentemente errada. Em vez de formar nós verdadeiros, o DNA muitas vezes gira em torno de si mesmo durante a translocação dos nanoporos. Essas estruturas retorcidas, conhecidas como plectenemas, parecem mais um fio telefônico torcido do que um nó.
Esta distinção é importante porque as voltas e os nós afetam os sinais elétricos de maneira muito diferente.
“Nossos experimentos mostraram que quando o DNA passa por um nanoporo, o fluxo de íons em seu interior torce a cadeia, acumulando torque e enrolando-a em plectonemas, não apenas em nós. Essa estrutura enrolada ‘oculta’ tem uma impressão distinta e duradoura no sinal elétrico, ao contrário da assinatura mais transitória dos nós, “explicou o autor principal, Dr. Fei Zheng, do Laboratório Cavendish.
Experimentos indicam a ausência de um mecanismo
Para chegar a essa conclusão, os pesquisadores testaram o DNA usando nanoporos de vidro e nitreto de silício sob uma ampla gama de tensões e condições. Eles notaram que os chamados eventos “emaranhados”, onde mais de um pedaço de DNA ocupa um poro ao mesmo tempo, ocorrem com muito mais frequência do que a teoria dos nós pode explicar.
Esses eventos tornaram-se ainda mais frequentes à medida que a voltagem aumentava e as cadeias de DNA se tornavam mais longas. Esse padrão sugere que outra força estava em ação.
Como a água corrente distorce o DNA
A equipe descobriu que a torção vem do fluxo eletroosmótico, o movimento da água impulsionado por campos elétricos dentro do nanoporo. À medida que a água passa pelo DNA, ela aplica uma força de torção à molécula helicoidal. Esse torque se move ao longo do filamento, fazendo com que seções fora do poro se dobrem em plectenemas.
Ao contrário dos nós, que se apertam sob tração e geralmente desaparecem rapidamente, os plectnemas podem aumentar e permanecer presentes durante todo o processo de translocação. Simulações de computador que aplicaram forças e torques realistas confirmaram esse comportamento e mostraram que a formação de plectons depende da capacidade do DNA de transmitir torções ao longo de seu comprimento.
O travamento das voltas confirma a abertura
Para testar ainda mais esta ideia, os investigadores criaram ADN “emendado”, cadeias que foram interrompidas em pontos específicos. Essas quebras impediram que a torção se propagasse ao longo da molécula e reduziram drasticamente a formação de plectonas durante os experimentos.
Este resultado confirmou que a propagação da torção é muito importante para o processo. Também sugere novas maneiras de usar nanoporos para detectar danos no DNA, já que quebras no fio interferem no enrolamento.
Lendo sinais de DNA com nova precisão
“O que é realmente poderoso é que agora podemos distinguir entre nós e plectenemas no sinal dos nanoporos com base em quanto tempo eles persistem”, diz o professor Ulrich F. Keyser, também do Laboratório Cavendish e co-autor do estudo.
“Os nós passam rapidamente por si mesmos como uma batida rápida, enquanto os plectonemas permanecem e criam sinais amplificados. Isso oferece um caminho para leituras mais ricas e refinadas da organização do DNA, integridade genômica e possivelmente danos.”
Implicações mais amplas para biologia e tecnologia
As descobertas vão além da detecção de nanoporos. Nas células vivas, o DNA é regularmente torcido e emaranhado quando atuado por enzimas, e tanto os nós quanto os plectonemas desempenham papéis importantes na organização e estabilidade do genoma. Compreender como essas estruturas se formam pode melhorar os modelos de comportamento do DNA celular.
Para diagnóstico e biossensorização, a capacidade de detectar ou controlar a torção do ADN poderia levar a ferramentas mais sensíveis, capazes de identificar alterações genéticas subtis e sinais precoces de danos no ADN associados a doenças.
“Do ponto de vista da nanotecnologia, o estudo destaca o poder dos nanoporos não apenas como sensores sofisticados, mas também como ferramentas para manipular biopolímeros de novas maneiras”, concluiu Keyser.
