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Cablaggio del DNA
Collegando il DNA tra due nanotubi di carbonio, i ricercatori hanno misurato la capacità della molecola di condurre elettricità. L'introduzione di un solo cambio di lettera può alterare drasticamente la resistenza del DNA, hanno scoperto i ricercatori, un fenomeno che intendono sfruttare con un dispositivo in grado di schermare rapidamente il DNA per le mutazioni legate alla malattia.
Cablato a caldo: Posizionando un segmento di DNA a doppio filamento in uno spazio vuoto in un nanotubo di carbonio a parete singola, i ricercatori hanno misurato le proprietà elettriche della molecola biologica. Poiché anche un singolo disallineamento nelle lettere del DNA influisce sulla conduttività del segmento, il sistema potrebbe eventualmente essere la base di sensori chimici per rilevare le mutazioni nel DNA.
La misurazione delle proprietà elettriche del DNA si è rivelata difficile perché la molecola e i suoi attacchi agli elettrodi tendono ad essere molto fragili. Ma nel nuovo studio, Colin Nuckolls , un professore di chimica alla Columbia University, a New York, ha collaborato con Jacqueline Barton , professore di chimica al Caltech, a Pasadena, in California, esperto nel trasporto di carica del DNA. Il gruppo di Nuckolls aveva precedentemente sviluppato un metodo per collegare in modo sicuro molecole biologiche a nanotubi di carbonio a parete singola, che fungono da elettrodi in un minuscolo circuito.
I ricercatori hanno utilizzato un processo di incisione per tagliare uno spazio vuoto in un nanotubo di carbonio; hanno creato un gruppo di acido carbossilico sul nanotubo a ciascuna estremità del gap. Hanno poi fatto reagire questi gruppi con filamenti di DNA le cui estremità erano state etichettate con gruppi amminici, creando legami ammidici chimici resistenti che legano insieme i nanotubi e il DNA. I collegamenti ammidici sono abbastanza robusti da resistere a enormi campi elettrici.
Il team ha stimato che i filamenti di DNA di circa 15 paia di basi (circa 6 nanometri) di lunghezza avevano una resistenza approssimativamente equivalente a quella di un pezzo di grafite di dimensioni simili. Questa è una scoperta che i ricercatori avrebbero potuto aspettarsi dal momento che le coppie di basi chimiche che costituiscono il DNA creano una pila di anelli aromatici simili a quelli della grafite.
Secondo me, i risultati di questo lavoro sopravviveranno, contrariamente a molte altre pubblicazioni su questo argomento, afferma il chimico Bernd Giese , dell'Università di Basilea, Svizzera. Le stime precedenti della conduttività del DNA sono cambiate notevolmente, dice Giese, in parte perché non era chiaro se il delicato DNA o la sua connessione agli elettrodi fosse stato danneggiato dalle alte tensioni utilizzate. Si pensa di aver bruciato il DNA in carbone, dice Giese. È estremamente complicato sperimentalmente.
Barton e Nuckolls hanno eseguito due trucchi con il loro DNA cablato. Per la prima volta, hanno introdotto un enzima di restrizione che legava e tagliava il DNA in una sequenza specifica. Quando è stata recisa, la corrente che scorreva attraverso il DNA è svanita. È un modo per far saltare una miccia biochimicamente, dice Nuckolls. Dimostra anche che il DNA mantiene la sua struttura nativa nel circuito; se così non fosse, l'enzima non riconoscerebbe e non taglierebbe la molecola.
Per il loro secondo trucco, i ricercatori hanno introdotto un disadattamento di una singola coppia di basi nel DNA in modo che, ad esempio, una C fosse accoppiata con una A (piuttosto che il suo partner normale, G). Questa modifica ha aumentato la resistenza della molecola di circa 300 volte, probabilmente perché distorce la struttura a doppia elica. Potrebbero farlo facilmente collegando solo uno dei due filamenti di DNA nel circuito. Il secondo filo - che può essere una corrispondenza perfetta con il primo o contenere una mancata corrispondenza - può sollevarsi o spegnersi.
Mostrare l'effetto elettrico di tale mancata corrispondenza di sequenza e taglio enzimatico è la vera forza degli esperimenti, afferma Danny Porath , dell'Università Ebraica, a Gerusalemme, Israele, che ha anche misurato la corrente attraverso il DNA. Giocano con i parametri e mostrano che la conduttività del DNA dipende chiaramente da loro, ed è bellissimo, dice.
Nuckolls sta ora lavorando per sfruttare questa scoperta per rilevare i polimorfismi a singolo nucleotide (SNP), le variazioni di una lettera nel DNA che sono collegate, ad esempio, alla suscettibilità all'Alzheimer, al diabete e a molte altre importanti malattie. Nuckolls spera che il suo metodo possa essere utilizzato per identificare gli SNP più rapidamente e con maggiore sensibilità rispetto ai metodi esistenti. In un tale dispositivo, un filo di DNA di riferimento è collegato al circuito e altri fili possono accoppiarsi con esso. Se il secondo filamento porta una base diversa nella posizione dell'SNP, questo sarebbe sufficiente per innescare un cambiamento nella corrente attraverso un circuito su nanoscala, proprio come ha fatto il disadattamento della coppia di basi. Nuckolls afferma che sta già lavorando con ingegneri elettrici per creare un sensore che possa essere inserito nei chip semiconduttori esistenti, rendendolo economico e facilmente disponibile. È uno dei nostri grandi obiettivi e siamo abbastanza vicini, dice.
È probabile che la squadra abbia concorrenza. Alla fine dell'anno scorso, un gruppo guidato da Wonbong Choi , della Florida International University, a Miami, ha riferito di aver infilato 80 paia di basi di DNA tra due nanotubi di carbonio e di aver inviato corrente attraverso il DNA. Choi dice che sta lavorando per creare un sensore in grado di rivelare rapidamente la presenza di specifiche sequenze genetiche, come il virus dell'influenza aviaria, osservando i cambiamenti di corrente attraverso il minuscolo circuito.
Barton, nel frattempo, è intento a scoprire se la conduttività del DNA ha uno scopo biologico nella cellula. Ha prove che le proteine legate al DNA possono rilevare il danno al DNA modificando le sue proprietà elettriche, forse innescando la riparazione del danno. Pensiamo che sia qualcosa di cui la natura si avvantaggia, dice. È un'idea radicale, ma penso che man mano che avremo sempre più prove, il caso sarà costruito.