Introducción: La vida como movimiento
Los científicos a menudo describen la vida como una serie de reacciones químicas. Pero Pallav Kosuri, Ph.D., describe la vida como movimiento. Las reacciones químicas impulsan el movimiento de átomos, proteínas, células y cuerpos; sin movimiento, no hay vida. "Si no sabes cómo se mueve algo, no sabes qué hace", dice Kosuri. "Y si quieres comprender, manipular y alterar la función de las moléculas, comprender sus movimientos físicos es tan importante como comprender sus reacciones químicas. La diferencia es: tenemos un catálogo completo de las reacciones químicas, mientras que el lado mecánico sigue siendo el Salvaje Oeste".
El laboratorio de Kosuri en el Instituto Salk se propone cambiar eso. En un nuevo estudio publicado en Cell Reports Methods, presentan ORBIT, un método que utiliza origami de ADN para construir nanoestructuras fluorescentes para visualizar movimientos moleculares. Este enfoque innovador supera limitaciones técnicas de larga data, permitiendo a los investigadores rastrear la rotación de una sola molécula de ARN polimerasa mientras lee el ADN con resolución de par de bases durante horas, una hazaña antes imposible.
El desafío de medir el movimiento molecular
La microscopía de fluorescencia es una tecnología poderosa, pero sus tiempos de observación están limitados por el fotoblanqueo de las etiquetas fluorescentes. Con el tiempo, estas etiquetas inevitablemente se apagan, restringiendo las mediciones a meros segundos. Esto ha dificultado o imposibilitado el estudio de movimientos moleculares durante períodos prolongados, particularmente procesos como la transcripción que ocurren durante minutos u horas.
Para abordar esto, Kosuri y su equipo desarrollaron una estrategia de "ciclo de tinte" para ORBIT. Esta técnica repone constantemente las etiquetas fluorescentes, extendiendo la ventana de medición de segundos a horas. Al hacerlo, ahora pueden observar la dinámica molecular en tiempo real con una precisión sin precedentes.
Cómo funciona ORBIT
ORBIT aprovecha el origami de ADN, un método que utiliza bloques de construcción de ADN para crear nanoestructuras personalizadas de autoensamblaje. Estas nanoestructuras pueden diseñarse para unirse a proteínas específicas y amplificar sus movimientos. En este caso, los investigadores construyeron una estructura similar a un rotor con un tallo de sacacorchos que se une a la ARN polimerasa, un mango en forma de X y una sonda de tinte fluorescente. A medida que la polimerasa se mueve a lo largo del ADN, el rotor amplifica el movimiento, haciéndolo detectable bajo un microscopio.
La innovación clave es el mecanismo de ciclo de tinte. En lugar de depender de una sola etiqueta fluorescente que se desvanece, ORBIT introduce continuamente nuevas moléculas de tinte, manteniendo la señal brillante durante períodos prolongados. Esto permite al equipo rastrear la rotación de la ARN polimerasa mientras transcribe genes, par de bases por par de bases.
Implicaciones para comprender la transcripción génica
La transcripción génica es un proceso fundamental en el que la ARN polimerasa lee el ADN y produce ARN. Si bien los pasos químicos de la transcripción son bien conocidos, los aspectos mecánicos (cómo se mueve, rota e interactúa la polimerasa con el ADN) siguen siendo en gran parte inexplorados. ORBIT proporciona una ventana a estas dinámicas, ofreciendo información que podría conducir a nuevas estrategias terapéuticas.
Por ejemplo, comprender cómo se mueve la maquinaria de transcripción podría ayudar a los investigadores a diseñar fármacos que se dirijan a pasos específicos del proceso, potencialmente tratando enfermedades causadas por desregulación transcripcional. Además, la capacidad de observar movimientos moleculares en tiempo real podría aplicarse a otras interacciones proteína-ADN, abriendo nuevas vías en biología molecular.
Aplicaciones más amplias y direcciones futuras
Más allá de la transcripción, la estrategia de ciclo de tinte de ORBIT podría adaptarse para estudiar una amplia gama de interacciones moleculares. El equipo prevé aplicaciones en administración de fármacos, dispositivos de laboratorio en un chip y descubrimiento biológico fundamental. Al proporcionar una herramienta para visualizar el movimiento molecular, ORBIT podría ayudar a cerrar la brecha entre la comprensión química y mecánica de la vida.
El laboratorio de Kosuri ya planea expandir las capacidades de ORBIT. Su objetivo es aumentar la resolución y sensibilidad de la técnica, así como aplicarla a otros motores moleculares y enzimas. El objetivo final es crear un atlas completo de movimientos moleculares, similar al catálogo de reacciones químicas que ya existe.
Conclusión
El desarrollo de ORBIT marca un paso significativo en el campo de la biofísica molecular. Al permitir el seguimiento de movimientos moleculares de larga duración y alta resolución, ofrece una nueva lente a través de la cual ver los fundamentos mecánicos de la vida. Como dice Kosuri, comprender el movimiento es clave para comprender la función. Con ORBIT, los investigadores ahora están equipados para explorar el "Salvaje Oeste" de la mecánica molecular, potencialmente desbloqueando nuevos conocimientos en biología y medicina.
Este artículo se basa en un informe de Phys.org. Lea el artículo original.
Originally published on phys.org
