Os cientistas estiveram errados durante décadas sobre os nós do DNA

Nanoporos são aberturas extremamente pequenas que permitem a passagem de fitas simples de DNA enquanto produzem sinais elétricos. Esses sinais ajudam os pesquisadores a analisar detalhadamente o material genético. Até agora, características importantes desses sinais tinham sido mal compreendidas.

Por que os cientistas pensaram que o DNA estava formando nós

Por muitos anos, os pesquisadores acreditaram que padrões elétricos complexos observados durante experimentos com nanoporos eram causados ​​por nós formadores de DNA. A ideia era fácil de imaginar. Puxar um cadarço através de um buraco estreito torna-se irregular se o cadarço se enroscar, e os cientistas presumiram que o DNA se comportava da mesma maneira. Acreditava-se que qualquer sinal irregular significava que o fio tinha um nó ao passar pelo poro.

Essa explicação moldou a forma como os dados dos nanoporos foram interpretados durante décadas.

Torções, não nós, explicam os sinais

O novo estudo, publicado na Physical Review X, mostra que esta suposição de longa data estava muitas vezes errada. Em vez de formar nós verdadeiros, o DNA frequentemente gira em torno de si mesmo durante a translocação dos nanoporos. Essas estruturas torcidas, conhecidas como plectonemas, lembram um fio telefônico enrolado, em vez de um nó amarrado.

Essa distinção é importante porque as torções e os nós afetam os sinais elétricos de maneiras muito diferentes.

“Nossos experimentos mostraram que, à medida que o DNA é puxado através do nanoporo, o fluxo iônico em seu interior torce o fio, acumulando torque e enrolando-o em plectonemas, não apenas em nós. Essa estrutura de torção ‘oculta’ tem uma impressão digital distinta e duradoura no sinal elétrico, ao contrário da assinatura mais transitória dos nós, “explicou o autor principal, Dr. Fei Zheng, do Laboratório Cavendish.

Experimentos apontam para um mecanismo ausente

Para chegar a esta conclusão, os pesquisadores testaram o DNA usando nanoporos de vidro e nitreto de silício em uma ampla gama de tensões e condições. Eles notaram que os chamados eventos “emaranhados”, quando mais de uma seção de DNA ocupava o poro ao mesmo tempo, ocorriam com muito mais frequência do que a teoria do nó poderia explicar.

Esses eventos tornaram-se ainda mais frequentes à medida que a voltagem aumentava e as cadeias de DNA cresciam mais. Esse padrão sugeria que outra força estava 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 campos elétricos dentro do nanoporo. À medida que a água passa pelo DNA, ela aplica uma força giratória à molécula helicoidal. Esse torque viaja ao longo do fio, fazendo com que seções fora do poro se enrolem em plectonemas.

Ao contrário dos nós, que se apertam sob forças de tração e normalmente desaparecem rapidamente, os plectonemas podem crescer e permanecer presentes durante todo o processo de translocação. Simulações de computador que aplicaram forças e torques realistas confirmaram esse comportamento e mostraram que a formação do plectonema depende da capacidade do DNA de transmitir torção ao longo de seu comprimento.

Bloquear reviravoltas confirma a descoberta

Para testar ainda mais a ideia, os pesquisadores criaram DNA “cortado”, filamentos que foram interrompidos em pontos específicos. Essas interrupções impediram que a torção se espalhasse ao longo da molécula e reduziram drasticamente a formação de plectonemas durante os experimentos.

Este resultado confirmou que a propagação da torção é essencial para o processo. Também sugere novas maneiras pelas quais os nanoporos poderiam ser usados ​​para detectar danos no DNA, uma vez que quebras na cadeia interferem no comportamento de torção.

Lendo sinais de DNA com nova precisão

“O que é realmente poderoso aqui é que agora podemos distinguir nós e plectonemas no sinal dos nanoporos com base em quanto tempo eles duram”, diz o professor Ulrich F. Keyser, também do Laboratório Cavendish e co-autor do estudo.

“Os nós passam rapidamente, como um solavanco rápido, enquanto os plectonemas permanecem e criam sinais estendidos. Isso oferece um caminho para leituras mais ricas e diferenciadas da organização do DNA, integridade genômica e possivelmente danos.”

Implicações mais amplas para biologia e tecnologia

As descobertas 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 poderia 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 identificar alterações genéticas subtis e sinais precoces de danos no ADN ligados a doenças.

“Do ponto de vista da nanotecnologia, a pesquisa destaca o poder dos nanoporos, não apenas como sensores sofisticados, mas também como ferramentas para manipular biopolímeros de novas maneiras”, concluiu Keyser.