Investigadores del Instituto de Medicina Molecular MRC Weatherall (MRC WIMM), en Inglaterra, han desarrollado una tecnología que permite a los científicos explorar la compleja estructura 3D del ADN gracias a simuladores y a la realidad virtual (RV).
La herramienta, llamada CSynth, es una plataforma interactiva que permite a cualquier usuario visualizar de manera gratuita la estructura tridimensional de las moléculas biológicas e interactuar en línea con modelos de simulación de cromosomas completos de ADN en 3D. Entre otros usos, es útil para rastrear puntos de interacción física entre las moléculas de ADN.
Resolver la secuencia que compone el código genético es una rutina en la investigación médica actual, pero la secuencia no lo es todo. Los genes también se activan y desactivan mediante la interacción física entre partes específicas del ADN.
La interacción molecular y la estructura de la secuencia de ADN
Al analizar el Cromosoma 1, uno de los 23 pares de cromosomas del genotipo humano, encontramos 245.522.847 pares de bases que representan el 8% del material genético.
Los pares de bases de Watson-Crick (guanina-citosina y adenina-timina) permiten a la hélice de ADN mantener una estructura helicoidal regular que depende sutilmente de su secuencia de nucleótidos o secuencia genética. Los genes interactúan físicamente entre sí en esta estructura tridimensional.
Como ocurre con las figuras de origami, los dos metros de ADN que transportan los núcleos de cada una de las 37 billones de células de nuestro organismo se doblan muchas veces hasta formar paquetes de complejos pliegues y espirales.
Las interacciones entre las moléculas deben ser muy precisas, y los errores pueden ser, literalmente, la diferencia entre la vida y la muerte. Se cree que los cambios en el plegamiento del ADN están asociados con una variedad de enfermedades, incluido el cáncer.
Visualización en 3D
Resolver las secuencias 2D de nucleótidos que conforman el código genético en nuestro ADN es crucial para entender cómo funcionan los genes, pero entender las interacciones físicas entre los pliegues del ADN requiere un salto hacia una nueva dimensión (3D).
Ahí es donde entran en escena Stephen Taylor y Jim Hughes, del Centro de Biología Computacional en el MRC WIMM. Tal y como se describe en un comunicado, pusieron a prueba su experiencia en biología computacional y regulación genética junto con investigadores de la de la Universidad de Londres, expertos en gráficos computacionales a tiempo real e interacción hombre-máquina, para alcanzar esa nueva dimensión, la 3D.
Así nació CSynth, una herramienta interactiva que permite a los científicos visualizar un cromosoma completo de ADN en 3D y rastrear puntos de interacción física.
A diferencia de otras herramientas similares, CSynth combina los modelos de biomoléculas interactivos con la capacidad de conectar lo que se ve en ellos con la información de secuencia de ADN disponible en línea. Los usuarios pueden cambiar los parámetros y comparar modelos para ver cómo esto podría afectar a los genes y otros elementos en el ADN, como los interruptores que activan y desactivan los genes.
El software está disponible gratuitamente para cualquier usuario de Internet, sea o no. Los investigadores pueden cargar sus propios datos para crear sus modelos, compartirlos y explorar los que ya hay cargados. No necesita instalación de software y es rápido de ejecutar.
Una característica adicional de CSynth es que combina su modelo computacional de vanguardia con la realidad virtual. Los investigadores pueden acceder virtualmente dentro de la estructura del ADN y explorar y manipular sus moléculas.
Herramienta de aprendizaje
El potencial para visualizar realmente el ADN también hace de CSynth una excelente herramienta de aprendizaje y participación pública, especialmente cuando se combina con la realidad virtual. Ya ha sido probada en exposiciones, colegios e institutos.
El equipo ha colaborado con otros investigadores del MRC WIMM para examinar cómo el ADN que codifica parte del complejo de hemoglobina (la molécula que transporta el oxígeno en los glóbulos rojos) se pliega en 3D, y cómo el plegado cambia en diferentes tipos de células. .
Además del valor educativo, quizás lo más importante en que CSynth ayudará a los científicos a identificar posibles estructuras y elementos genéticos asociados con enfermedades y a comprender el impacto de la estructura del ADN en su función.
Referencia
CSynth: A Dynamic Modelling and Visualisation Tool for 3D Chromatin Structure. S. Todd et al. bioRxiv, 3 January 2019. DOI: doi.org/10.1101/499806.