El flujo de corriente a través de la guanina apilada (derecha) es coherente y mucho más fuerte, mientras que el comportamiento de salto en el ADN con guaninas alternadas es más débil (izquierda). Las bases de guanina están en rojo. Fuente: ASU.
Las cargas eléctricas no sólo se mueven a través de cables, sino que también se desplazan por el ADN, la molécula de la vida. Esta propiedad se conoce como transporte de carga.
En un nuevo estudio que aparece en la revista Nature Chemistry, los autores Limin Xiang, Julio Palma, y Christopher Bruot, entre otros, del Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona (ASU, EE.UU.), explorar las formas en que las cargas eléctricas se mueven a lo largo de bases de ADN fijadas a un par de electrodos. Su trabajo revela un nuevo mecanismo de transporte de carga.
Los investigadores predicen que trabajos como este tendrán importantes implicaciones en el diseño de una nueva generación de dispositivos electrónicos basados en ADN funcional, así como en proporcionar nuevos conocimientos sobre los riesgos en la salud asociados con el daño en el ADN debido al transporte.
Transporte de carga
La transferencia de electrones está considerada a menudo como la forma más simple de reacción química, pero sin embargo juega un papel crítico en una amplia gama de procesos vitales, incluida la respiración y la fotosíntesis.
El transporte de carga también puede producir efectos negativos en los sistemas vivos, sobre todo a través del proceso de estrés oxidativo, que causa daños al ADN. Se cree que el daño oxidativo afecta al comienzo y progresión del cáncer. También está implicado en trastornos neurodegenerativos como el Alzheimer, la enfermedad de Huntington y la enfermedad de Parkinson, y una gama de otras enfermedades humanas.
"Cuando el ADN se expone a la luz ultravioleta, existe la posibilidad de que una de las bases -como la guanina- se oxide, lo que significa que pierde un electrón", explica el director de la investigación, Nongjian Tao, en la información de la Universidad de Arizona. (La Guanina es más fácil de oxidar que las otras tres bases, citosina, timina y adenina, por lo que es la base más importante para el transporte de carga.)
En algunos casos, se repara el daño en el ADN con la migración de un electrón desde otra porción de la cadena para sustituir a la que falta. La reparación del ADN es un proceso incesante, constante, aunque una pérdida gradual de la eficiencia de reparación potencia el proceso de envejecimiento. La oxidación daña de forma aleatoria al ARN y el ADN, lo cual puede interferir con el metabolismo celular normal.
El daño por radiación es también un problema para los dispositivos semiconductores, señala Tao: un factor que debe tenerse en cuenta cuando la electrónica está expuesta a partículas de alta energía como los rayos X, como en las aplicaciones diseñadas para el espacio exterior.
Investigadores como Xiang y Tao esperan entender mejor el transporte de carga a través del ADN, ya que la molécula proporciona un campo de pruebas único para la observación. La longitud de una molécula de ADN y su secuencia de 4 nucleótidos A, T, C y G se puede modificar fácilmente y los estudios han demostrado que las alteraciones tienen un efecto en cómo se mueve la carga eléctrica a través de la molécula.
Cuando se produce una oxidación en las bases de ADN, queda un hueco en el lugar del electrón. Este hueco lleva una carga positiva, que puede moverse a lo largo del ADN bajo la influencia de un campo eléctrico o magnético, tal como haría un electrón. El movimiento de estos huecos cargados positivamente a lo largo de un tramo de ADN es el foco del estudio actual.
En un nuevo estudio que aparece en la revista Nature Chemistry, los autores Limin Xiang, Julio Palma, y Christopher Bruot, entre otros, del Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona (ASU, EE.UU.), explorar las formas en que las cargas eléctricas se mueven a lo largo de bases de ADN fijadas a un par de electrodos. Su trabajo revela un nuevo mecanismo de transporte de carga.
Los investigadores predicen que trabajos como este tendrán importantes implicaciones en el diseño de una nueva generación de dispositivos electrónicos basados en ADN funcional, así como en proporcionar nuevos conocimientos sobre los riesgos en la salud asociados con el daño en el ADN debido al transporte.
Transporte de carga
La transferencia de electrones está considerada a menudo como la forma más simple de reacción química, pero sin embargo juega un papel crítico en una amplia gama de procesos vitales, incluida la respiración y la fotosíntesis.
El transporte de carga también puede producir efectos negativos en los sistemas vivos, sobre todo a través del proceso de estrés oxidativo, que causa daños al ADN. Se cree que el daño oxidativo afecta al comienzo y progresión del cáncer. También está implicado en trastornos neurodegenerativos como el Alzheimer, la enfermedad de Huntington y la enfermedad de Parkinson, y una gama de otras enfermedades humanas.
"Cuando el ADN se expone a la luz ultravioleta, existe la posibilidad de que una de las bases -como la guanina- se oxide, lo que significa que pierde un electrón", explica el director de la investigación, Nongjian Tao, en la información de la Universidad de Arizona. (La Guanina es más fácil de oxidar que las otras tres bases, citosina, timina y adenina, por lo que es la base más importante para el transporte de carga.)
En algunos casos, se repara el daño en el ADN con la migración de un electrón desde otra porción de la cadena para sustituir a la que falta. La reparación del ADN es un proceso incesante, constante, aunque una pérdida gradual de la eficiencia de reparación potencia el proceso de envejecimiento. La oxidación daña de forma aleatoria al ARN y el ADN, lo cual puede interferir con el metabolismo celular normal.
El daño por radiación es también un problema para los dispositivos semiconductores, señala Tao: un factor que debe tenerse en cuenta cuando la electrónica está expuesta a partículas de alta energía como los rayos X, como en las aplicaciones diseñadas para el espacio exterior.
Investigadores como Xiang y Tao esperan entender mejor el transporte de carga a través del ADN, ya que la molécula proporciona un campo de pruebas único para la observación. La longitud de una molécula de ADN y su secuencia de 4 nucleótidos A, T, C y G se puede modificar fácilmente y los estudios han demostrado que las alteraciones tienen un efecto en cómo se mueve la carga eléctrica a través de la molécula.
Cuando se produce una oxidación en las bases de ADN, queda un hueco en el lugar del electrón. Este hueco lleva una carga positiva, que puede moverse a lo largo del ADN bajo la influencia de un campo eléctrico o magnético, tal como haría un electrón. El movimiento de estos huecos cargados positivamente a lo largo de un tramo de ADN es el foco del estudio actual.
Mecanismos
En investigaciones anteriores, se habían examinado en detalle dos mecanismos principales de transporte de carga.
En distancias cortas, un electrón muestra las propiedades de una onda, que le permiten pasar directamente a través de una molécula de ADN. Este proceso es un efecto mecánico cuántico conocido como efecto túnel.
El transporte de carga en el ADN (y otras moléculas) a distancias más largas implica el proceso de salto. Cuando una carga salta de un punto a otro a lo largo del segmento de ADN, se comporta de forma clásica y pierde sus propiedades ondulatorias.
Se observa que la resistencia eléctrica aumenta exponencialmente durante el efecto túnel, y linealmente (más despacio) durante el salto.
Al conectar sendos electrodos a los dos extremos de una molécula de ADN, los investigadores fueron capaces de controlar el paso de la carga a través de la molécula, observando algo nuevo: "Lo que encontramos en este trabajo en particular es que hay un comportamiento intermedio", dice Tao. "No es exactamente un salto porque el electrón sigue mostrando algunas propiedades de onda."
En lugar de ello, los huecos observados en ciertas secuencias de ADN están deslocalizados, repartidos en varios pares de bases. El efecto no es un aumento exponencial ni lineal en la resistencia eléctrica, sino una oscilación periódica. El fenómeno ha demostrado ser altamente dependiente de la secuencia, y son pares de bases apilados de guanina-citosina los que provocan la oscilación observada.
Los experimentos de control, con bases de guanina alternadas, en lugar de secuenciadas, mostraron un aumento lineal en la resistencia, de acuerdo con el comportamiento de salto convencional.
Otra propiedad del ADN es también importante al considerar el transporte de carga. La molécula a temperatura ambiente no es como un alambre en un dispositivo electrónico convencional, sino más bien una estructura muy dinámica, que se retuerce y fluctúa.
El estudio de la contribución de este movimiento molecular del ADN al transporte de carga sólo está en sus inicios y será uno de los focos de los esfuerzos de los investigadores de ASU.
Conductividad
La capacidad del ADN o de sus derivados para transmitir la electricidad está siendo objeto de estudio habitual por los científicos. Un equipo de la Universidad Autónoma de Madrid, en colaboración con colegas de Israel, anunciaron el año pasado que las moléculas de G4-ADN, un derivado del ADN con cuatro hélices en lugar de dos, son buenas conductoras de la electricidad. El descubrimiento podría dar lugar a una nueva nanoelectrónica basada en biomoléculas individuales, según los autores.
Asimismo, también en la Universidad Autónoma de Madrid lograron inducir y medir la migración ultrarrápida, en el orden de los attosegundos (la trillonésima parte de un segundo), de los electrones -comportándose como ondas- en una molécula compleja, el aminoácido fenilalanina, uno de los diez aminoácidos esenciales para el ser humano.
En investigaciones anteriores, se habían examinado en detalle dos mecanismos principales de transporte de carga.
En distancias cortas, un electrón muestra las propiedades de una onda, que le permiten pasar directamente a través de una molécula de ADN. Este proceso es un efecto mecánico cuántico conocido como efecto túnel.
El transporte de carga en el ADN (y otras moléculas) a distancias más largas implica el proceso de salto. Cuando una carga salta de un punto a otro a lo largo del segmento de ADN, se comporta de forma clásica y pierde sus propiedades ondulatorias.
Se observa que la resistencia eléctrica aumenta exponencialmente durante el efecto túnel, y linealmente (más despacio) durante el salto.
Al conectar sendos electrodos a los dos extremos de una molécula de ADN, los investigadores fueron capaces de controlar el paso de la carga a través de la molécula, observando algo nuevo: "Lo que encontramos en este trabajo en particular es que hay un comportamiento intermedio", dice Tao. "No es exactamente un salto porque el electrón sigue mostrando algunas propiedades de onda."
En lugar de ello, los huecos observados en ciertas secuencias de ADN están deslocalizados, repartidos en varios pares de bases. El efecto no es un aumento exponencial ni lineal en la resistencia eléctrica, sino una oscilación periódica. El fenómeno ha demostrado ser altamente dependiente de la secuencia, y son pares de bases apilados de guanina-citosina los que provocan la oscilación observada.
Los experimentos de control, con bases de guanina alternadas, en lugar de secuenciadas, mostraron un aumento lineal en la resistencia, de acuerdo con el comportamiento de salto convencional.
Otra propiedad del ADN es también importante al considerar el transporte de carga. La molécula a temperatura ambiente no es como un alambre en un dispositivo electrónico convencional, sino más bien una estructura muy dinámica, que se retuerce y fluctúa.
El estudio de la contribución de este movimiento molecular del ADN al transporte de carga sólo está en sus inicios y será uno de los focos de los esfuerzos de los investigadores de ASU.
Conductividad
La capacidad del ADN o de sus derivados para transmitir la electricidad está siendo objeto de estudio habitual por los científicos. Un equipo de la Universidad Autónoma de Madrid, en colaboración con colegas de Israel, anunciaron el año pasado que las moléculas de G4-ADN, un derivado del ADN con cuatro hélices en lugar de dos, son buenas conductoras de la electricidad. El descubrimiento podría dar lugar a una nueva nanoelectrónica basada en biomoléculas individuales, según los autores.
Asimismo, también en la Universidad Autónoma de Madrid lograron inducir y medir la migración ultrarrápida, en el orden de los attosegundos (la trillonésima parte de un segundo), de los electrones -comportándose como ondas- en una molécula compleja, el aminoácido fenilalanina, uno de los diez aminoácidos esenciales para el ser humano.
Referencia bibliográfica:
Limin Xiang, Julio L. Palma, Christopher Bruot, Vladimiro Mujica, Mark A. Ratner & Nongjian Tao: Intermediate tunnelling–hopping regime in DNA charge transport. Nature Chemistry (2015). doi:10.1038/nchem.2183
Limin Xiang, Julio L. Palma, Christopher Bruot, Vladimiro Mujica, Mark A. Ratner & Nongjian Tao: Intermediate tunnelling–hopping regime in DNA charge transport. Nature Chemistry (2015). doi:10.1038/nchem.2183