El ADN evolucionó para almacenar información genética, pero en principio, esta molécula especial en forma de cadena también se puede adaptar para fabricar nuevos materiales. Químicos del Instituto de Investigación Scripps (TSRI) han publicado ahora una importante demostración de esta reutilización del ADN para crear nuevas sustancias con posibles aplicaciones médicas.
Floyd Romesberg y Tingjian Chen de TSRI, en un estudio publicado en línea en la revista de química Angewandte Chemie, demostraron que podían realizar varias modificaciones químicas potencialmente valiosas en los nucleótidos de ADN y producir cantidades útiles del ADN modificado. Los químicos demostraron su nuevo enfoque al hacer un hidrogel absorbente de agua a base de ADN que, en última instancia, puede tener múltiples usos médicos y científicos.
«El ADN tiene algunas propiedades únicas como material, y con esta nueva capacidad para modificarlo y replicarlo como el ADN normal, realmente podemos comenzar a explorar algunas aplicaciones potenciales interesantes», dijo Romesberg, profesor de química en TSRI.
Durante la última década, el laboratorio de Romesberg ha ayudado a desarrollar métodos pioneros para fabricar ADN modificado, con el objetivo final de desarrollar nuevos medicamentos, sondas y materiales valiosos, incluso formas de vida artificial. El equipo alcanzó un hito importante el año pasado con una hazaña reportada en Química de la naturaleza: el desarrollo de una enzima polimerasa de ADN artificial que puede hacer copias de ADN modificado, al igual que las polimerasas de ADN normales replican el ADN normal.
Las modificaciones de ADN probadas en ese estudio involucraron solo la unión de fracciones de flúor (F) o metoxi (O-CH3) a la columna vertebral de azúcar de los nucleótidos de ADN, modificaciones que en principio mejorarían las propiedades de los medicamentos basados en ADN. En el nuevo estudio, Chen y Romesberg demostraron varias otras modificaciones que su polimerasa SFM4-3 puede replicar y, al hacerlo, abrieron la puerta al diseño de ADN modificado para una gama mucho más amplia de aplicaciones.
Una de las nuevas modificaciones agrega un grupo azido (N3), un punto de unión conveniente para muchas otras moléculas a través de un conjunto relativamente fácil de técnicas llamadas «química de clics», también iniciadas en TSRI. Los químicos de TSRI demostraron que la polimerasa SFM4-3 puede replicar nucleótidos modificados con azido con la fidelidad adecuada y puede amplificar exponencialmente hebras de este ADN modificado utilizando un método de laboratorio común, la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). La química de clic se puede usar para agregar cualquiera de una amplia variedad de moléculas diferentes al ADN a través del grupo azido.
«Con el ADN azido y la química de clic, pudimos producir ADN altamente funcionalizado, incluido el ADN modificado con una concentración intensa de moléculas de baliza fluorescente y el ADN marcado con un identificador químico llamado biotina», dijo Chen, quien es investigador asociado postdoctoral. en el Laboratorio Romesberg.
En una demostración más avanzada, los científicos utilizaron la química del clic para unir múltiples hebras de ADN a una hebra de ADN central modificada con azido, creando una estructura de «cepillo de botella». Luego usaron el ensamblaje para amplificar el ADN a través de PCR para obtener una gran malla de ADN que, para su sorpresa, formó un hidrogel cuando se expuso al agua.
«Los hidrogeles son un foco de gran interés en estos días porque tienen muchas aplicaciones potenciales, aunque hay relativamente pocas formas de su producción controlada», dijo Romesberg.
El nuevo hidrogel basado en ADN resultó tener algunas propiedades intrigantes. Chen y Romesberg descubrieron que podían disolverlo con enzimas de corte de ADN y luego reformarlo en cualquier molde deseado usando enzimas de unión de ADN, lo que les permitió formar y reformar el hidrogel con nuevas estructuras estables. Las proteínas de prueba colocadas dentro del hidrogel también conservaron su actividad bioquímica.
«Creemos que este hidrogel puede tener aplicaciones que van desde formas novedosas de administración de fármacos hasta el crecimiento de células en cultivos tridimensionales», dijo Chen.
Los investigadores demostraron que la polimerasa SFM4-3 también se puede usar para replicar y amplificar el ADN que se ha modificado con otros tres tipos de adiciones al azúcar principal: un grupo cloro (Cl) o amino (NH2), o un grupo hidroxilo ( OH) que se combina con la columna vertebral para formar un azúcar arabinosa.
Chen y Romesberg ahora están buscando modificaciones de ADN adicionales que puedan replicarse usando la polimerasa SFM4-3. Al mismo tiempo, los investigadores buscan aplicaciones específicas de su ADN modificado, incluidos nuevos hidrogeles.
«Dado que el ADN puede tener diferentes secuencias que imparten diferentes propiedades, incluso podemos comenzar a pensar en la evolución de nanomateriales con las actividades deseadas», dijo Romesberg.
