Cientistas da Universidade de Cambridge, trabalhando com colaboradores internacionais, identificaram um mecanismo importante que molda a forma como o DNA se comporta à medida que se move através dos poros em nanoescala. Este processo é fundamental para muitas atividades biológicas e para o rápido desenvolvimento de tecnologias de detecção de DNA. O estudo destaca uma estrutura de DNA há muito negligenciada chamada plectonemas, uma descoberta que pode influenciar futuros avanços na genômica e no biossensor.
Nanoporos são aberturas extremamente pequenas que permitem a passagem de fitas simples de DNA enquanto geram sinais elétricos. Esses sinais ajudam os pesquisadores a analisar detalhadamente o material genético. Até agora, características importantes destes sinais eram mal compreendidas.
Por que os cientistas pensaram que o DNA estava dando nós
Durante anos, os pesquisadores acreditaram que os complexos padrões elétricos observados durante os experimentos com nanoporos eram causados pela formação de nós no DNA. A imagem conceitual era simples. Puxar um cadarço por um buraco estreito fazia com que os cadarços ficassem desiguais quando se enroscavam, e os cientistas levantaram a hipótese de que o DNA se comportava de maneira semelhante. Qualquer sinal irregular foi assumido como significando que o fio havia dado um nó ao passar pelo buraco.
Essa interpretação moldou a forma como os dados dos nanoporos foram interpretados durante décadas.
Explique a torção, não o nó, sinalize
Uma nova pesquisa publicada na Physical Review X mostra que esta suposição de longa data estava muitas vezes errada. Em vez de formar nós verdadeiros, o DNA muitas vezes gira em torno de si mesmo durante a translocação dos nanoporos. Essa estrutura torcida, conhecida como plectônimo, lembra um fio telefônico enrolado, em vez de um nó com nó.
Esta distinção é importante porque as torções e os nós afetam os sinais elétricos de maneiras diferentes.
“Nossos experimentos mostraram que quando o DNA é puxado através do nanoporo, o fluxo iônico em seu interior torce o fio, acumulando torque e transformando-o em um plectônimo, não apenas em um nó. Essa estrutura de torção ‘oculta’ tem uma impressão digital distinta e duradoura no sinal elétrico, o que explica ainda mais a liderança”, disse o Laboratório Cavendish.
Testes indicam um processo ausente
Para chegar a esta conclusão, os pesquisadores testaram o DNA usando nanoporos de vidro e nitreto de silício sob uma ampla gama de tensões e condições. Eles observaram que os chamados fenômenos de “emaranhamento”, quando múltiplos segmentos de DNA ocupam o poro ao mesmo tempo, ocorrem com muito mais frequência do que a teoria do nó pode explicar.
Esses eventos tornam-se mais frequentes à medida que a voltagem aumenta e a fita de DNA fica mais longa. Esse padrão sugere que outra força está em ação.
Como a água corrente distorce o DNA
A equipe descobriu que a torção vem do fluxo eletroosmótico, o movimento da água impulsionado por um campo elétrico dentro do nanoporo. À medida que a água flui sobre o DNA, ela exerce uma força rotacional na molécula helicoidal. Esse torque viaja ao longo do fio, fazendo com que a parte externa do poro se enrole no plectonema.
Ao contrário dos nós, que endurecem sob forças de tração e geralmente desaparecem rapidamente, os plectônimos podem ser grandes e estar presentes durante todo o processo de migração. Simulações de computador aplicando forças e torques realistas confirmaram esse comportamento e mostraram que a formação do plectonema depende da capacidade do DNA de se torcer ao longo de seu comprimento.
O bloqueio de torção garante a descoberta
Para testar ainda mais a ideia, os pesquisadores criaram DNA “cortado”, filamentos que foram interrompidos em pontos específicos. Essas barreiras evitam que as torções se espalhem ao longo da molécula e reduzem drasticamente a formação de plectônimos durante o experimento.
Este resultado confirmou que a torção é essencial para o processo de propagação. Também aponta para novas maneiras pelas quais os nanoporos podem ser usados para detectar danos no DNA, uma vez que as quebras dos fios interferem no comportamento de torção.
Lendo sinais de DNA com nova precisão
“O que é realmente poderoso aqui é que agora podemos separar os nós e plectônimos no sinal dos nanoporos para saber quanto tempo eles duram”, disse o professor Ulrich F. Keyser, do Laboratório Cavendish e co-autor do estudo.
“Os nós se movem rapidamente, como um solavanco rápido, enquanto os plectonemas duram mais e geram um sinal aumentado. Isso fornece uma leitura mais rica e precisa da organização do DNA, da integridade genômica e, possivelmente, das vias de dano.”
Amplas implicações para biologia e tecnologia
Os resultados vão além da detecção de nanoporos. Nas células vivas, o DNA torce-se e emaranha-se regularmente à medida que as enzimas atuam sobre ele, e tanto os nós quanto os plectonemas desempenham papéis importantes na organização e estabilidade do genoma. Compreender como essas estruturas se formam pode melhorar os modelos de comportamento do DNA celular.
Para diagnóstico e biossensorização, a capacidade de detectar ou controlar a torção do ADN poderia levar a ferramentas mais sensíveis, capazes de detectar alterações genéticas subtis associadas a doenças e sinais precoces de danos no ADN.
“Do ponto de vista da nanotecnologia, o estudo destaca o poder dos nanoporos, não apenas como sensores sofisticados, mas também como ferramentas para manipular biopolímeros de novas maneiras”, conclui Keyser.
