Investigadors de l'Institut de Química Avançada de Catalunya del CSIC i de l'IRB Barcelona han aconseguit desenvolupar un nanosensor usant únicament petits segments d'ADN, mitjançant una tècnica puntera coneguda com papiroflèxia (origami) d'ADN. Té unes mides de 100 nanòmetres: mil vegades més petit que un bacteri. Es necessitarien milions de sensors com aquest per omplir l'orifici d'una agulla de cosir.
Aquest sensor molecular pot detectar l'activitat de l'enzim humà hAGT, cosa que és d'interès per al desenvolupament de fàrmacs anticancerígens, ja que és una de les dianes de les noves teràpies contra el càncer i un dels marcadors que pot predir l'èxit d' un tractament. Es tracta, també, d'un avenç notable en el control de l'ADN com a material de partida per obtenir dispositius biomèdics a escala nanomètrica.
El treball, que es publica a la revista Angewandte Chemie, ha estat desenvolupat pel grup de Química d'Àcids Nucleics de l'Institut de Química Avançada de Catalunya del CSIC, i té com a investigadora principal a Carmen Fàbrega, integrant del mateix grup però adscrita a l'IRB Barcelona.
A l'ull d'una agulla amb unes dimensions d'1 mil•límetre per 1 mil•límetre, cabrien 10.000 nanosensors a l'ample i 10.000 en vertical. Per cobrir l'àrea d'un mil•límetre quadrat, es necessitarien 10.000 x 10.000 nanosensors: 100.000.000. Si l'ull de l'agulla tingués 1 mil•límetre per 1 cm, es necessitarien ¡mil milions de nanosensors! (10.000 x 100.000). Aquest esquema intenta donar una idea de a quin escales es mouen els objectes nanomètrics. Les imatges i la diferència entre els seus mides no estan a escala real.
Plegar i grapar l’ADN com si fos paper
En la tècnica origami d'ADN, es parteix d'una gran cadena d'ADN que es va plegant de manera natural gràcies a altres petits segments d'ADN (oligonucleòtids) que actuen com si fossin grapes, fins a obtenir dissenys diversos. D'aquí ve precisament el seu nom, pres del tradicional art oriental que crea figures plegant un full de paper en diferents formes.
Les estructures obtingudes poden usar-se com plantilles per col·locar proteïnes, nanopartícules, enzims, nanocables o qualsevol altra molècula funcional seguint un patró predeterminat. L'ADN té altres avantatges: la seva rigidesa (a nivell nanomètric), la mida extraordinàriament petita i una possibilitat de combinacions gairebé infinita.
"En el nostre treball", explica Ramon Eritja, que dirigeix el grup de Química d'Àcids nucleics, "hem fet servir ADN viral de cadena senzilla i uns 250 oligonucleòtids 'grapa' amb els quals hem aconseguit doblar l'ADN fins a formar una estructura plana, en nostre cas de forma rectangular.
Com funciona el nanosensor
Un cop creada l'estructura, els investigadors han incorporat dues línies de seqüències senzilles d'ADN. En una línia, un aptámer (un àcid nucleic de cadena senzilla de DNA) que té la capacitat d'unir-se a la trombina, una proteïna implicada en la coagulació de la sang. En l'altra línia, el mateix aptámer però amb la seva seqüència "danyada": és a dir, s'ha modificat perquè no funcioni bé i la trombina no pugui unir-se a ella.
Així, quan es diposita la mostra (ADN que conté un anàleg que es pot produir al llarg de la quimioteràpia) sobre el nanosensor, es pot observar si la trombina s'uneix només en una línia o en ambdues (amb la seqüència correcta i amb la danyada). El segon cas, si la trombina s’uneix també a la seqüència danyada, implica que l'enzim hAGT de la mostra segueix funcionant bé i que ha reparat la modificació.
Investigació contra el càncer
Què és l'enzim hAGT? Carme Fàbrega, investigadora principal, explica que la hAGT és un dels anomenats enzims de reparació del nostre ADN celular. "Els tractaments de quimioteràpia", afegeix "estan destinats a danyar l'ADN de les cèl·lules canceroses ja destruir-les. Però en les cèl·lules canceroses aquest enzim està sobreexpressat, el que les fa especialment hàbils reparant el seu ADN després dels tractaments". És una de les raons per les quals es genera resistència a les teràpies anticancerígenes.
Per això, una de les noves estratègies és buscar inhibidors de l'enzim hAGT. No obstant això, detalla Fàbrega, "es necessiten eines per visualitzar en el laboratori el comportament d'aquest enzim, i poder avaluar l'eficàcia dels nous inhibidors durant el seu desenvolupament". Detectar l'activitat d'aquests enzims de reparació, amb les tècniques actuals (basades en assaigs de radioactivitat) és molt difícil. En aquest sentit, el biosensor obtingut és una eina alternativa que ofereix una detecció precisa i fiable, i que pot simplificar aquesta anàlisi.
El seu ús, però, es limita de moment a recerca bàsica, donat l’elevat cost de la miscroscopia de força atòmica, necessaria per llegir el resultat del nanosensor. “Potser en un futur proper, el cost d’aquest tipus de microssopia pot baixar, i aquest nanosensor es podría utilizar en l’àmbit clinic, obrint la possibilitat al diagnòstic molecular”.
Tintoré, M., Gállego, I., Manning, B., Eritja, R. and Fàbrega, C. (2013), DNA Origami as a DNA Repair Nanosensor at the Single-Molecule Level . Angew. Chem. Int. Ed.. doi: 10.1002/anie.201301293