Investigadores miden por primera vez una propiedad del ADN

10 11 2014

La capacidad de polarización eléctrica del ADN es una propiedad fundamental que influye directamente en sus funciones biológicas. Sin embargo, a pesar de la importancia de esta propiedad no ha sido posible medirla hasta ahora.

En un estudio publicado hoy en PNAS los investigadores en el Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) dirigidos por Laura Fumagalli, investigadora sénior en el IBEC y profesora de la Universidad de Barcelona (UB), y sus colaboradores del Instituto de Investigación Biomédica (IRB), del Barcelona Supercomputing Center–Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS), del Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC) y del Instituto IMDEA de Nanociencia en Madrid, describen cómo han encontrado una manera para medir directamente la capacidad de polarización eléctrica del ADN – representada por su constante dieléctrica que indica cómo reacciona un material a la aplicación de un campo eléctrico – por primera vez en la historia.

Los investigadores lo han logrado gracias al uso de su propia técnica, desarrollada recientemente en el IBEC, basada en el microscopio de fuerza electrostática (EFM, del inglés electrostatic force microscopy). Este tipo de microscopio permite a los investigadores explorar no sólo la morfología de los complejos biológicos individuales en su entorno natural, sino también para medir las propiedades electrostáticas que hacen que cada objeto sea único. Sin embargo, hasta ahora esta propiedad clave del ADN – su capacidad de polarización eléctrica – ha permanecido desconocida, debido a las dificultades inherentes para conseguir dicha medida dada la compleja estructura del ADN.

Los investigadores han sido capaces de cuantificar la constante dieléctrica del ADN de una manera no invasiva mediante la medición del ADN en su estado nativo, condensado, dentro de un bacteriófago – un virus que infecta y se replica dentro de una bacteria. La naturaleza especial de estos virus significa que llevan información genética condensada en una pequeña carcasa, lo que significa que mantienen el ADN en una estructura casi cristalina que los investigadores fueron capaces de diseccionar para determinar las constantes dieléctricas de los principales componentes; la cubierta de proteína y el ADN.

Los resultados muestran que la constante dieléctrica del ADN está alrededor de 8, muy por encima de lo que se suele suponer, y los investigadores confirman este valor basándose en cálculos teóricos muy precisos, utilizando herramientas computacionales atomísticas de última generación y los recursos computacionales del Barcelona Supercomputing Center–Centro Nacional de Supercomputación Los cálculos dieron como resultado prácticamente el mismo valor, alrededor de 8, que coincide con sus observaciones experimentales.

“Nuestros experimentos y cálculos revelan una propiedad propia de ADN que permite la predicción realista de su conformación y sus funciones sobre la base de herramientas computacionales y nos ayuden a comprender mejor las funciones esenciales que el ADN desempeña en nuestro cuerpo”, dice Modesto Orozco, jefe del Programa Conjunto de Investigación en Biología Computacional Instituto de Investigación Biomédica–Barcelona Supercomputing Center, y profesor de la UB. “Estos experimentos también abren nuevas vías para explorar propiedades de polarización fundamentales de otras biomoléculas.”

 

Artículo de referencia: Ana Cuervo, Pablo D. Dans, Jose L. Carrascosa, Modesto Orozco, Gabriel Gomila and Laura Fumagalli (2014). Direct measurement of the dielectric polarization properties of DNA. PNAS, pub ahead of print

 

 

ibecbarcelona.eu [en línea] Barcelona (ESP): ibecbarcelona.eu, 10 de noviembre de 2014 [ref. 18 de agosto de 2014] Disponible en Internet: http://www.ibecbarcelona.eu/NOTICIAS-DE-INVESTIGACION/investigadores-miden-por-primera-vez-una-propiedad-del-adn.html



Observing behavior of single molecules in real time

7 04 2014

Stanford scientists develop technique for observing behavior of single molecules in real time

The new technique allows scientists to observe single molecules of protein or DNA as they bind with other molecules, and could lead to better drug designs.

 

Nearly every biological or chemical reaction that makes life possible involves single molecules interacting in the watery solution that sloshes in and around cells.

Now, a Stanford chemistry professor and his graduate student have developed a technique for observing these processes as they happen in real time.

W.E. Moerner, a professor of chemistry, specializes in single molecule fluorescence, a field that involves studying how biomolecules – such as DNA and enzymes – work in cells to carry out the processes that are critical to life. The new advance describes how Moerner and his graduate student, Quan Wang, modified an ABEL (Anti-Brownian ELectrokinetic) trap, a machine invented in Moerner’s lab that uses electric fields to manipulate individual small molecules from the light they emit, to isolate a single strand of DNA and observe how it binds to other DNA, in aqueous solution.

 

Stanford researchers have developed a technique to observe behavior of single molecules of protein or DNA in real time.

Stanford researchers have developed a technique to observe behavior of single molecules of protein or DNA in real time.

The work is detailed in the journal Nature Methods.

Getting this process started takes a little bit of luck, Wang said, as they must wait until a single molecule happens to be in the vicinity of the trap. This all happens at an incredibly tiny scale. The trap covers about a square centimeter, but the molecules are just 1 nanometer long. (For perspective, that’s trapping a single grain of pollen on a football field, and then, without ever touching it, studying its behavior and characteristics.)

Once a lone molecule has entered the trap, its motion comes under continuous surveillance. Although the molecule doesn’t want to sit still, every time it attempts to escape, the ABEL trap automatically applies electric fields to push it back.

Using physical analysis and computational tricks from machine learning, Wang developed an algorithm to convert the observed single-molecule motions inside the trap into information about the molecule’s size and electric charge. From this, the researchers can determine whether the target molecule has interacted with another molecule.

In the case of DNA, if it begins to hybridize – that is, if it begins to bond to a complementary strand of DNA – the readings from the trap will show that the trapped DNA has an increase in both size and charge. When the process reverses a few instants later – that is, when the DNA melts and its complementary strand falls off – the trapped molecule’s size and charge change back correspondingly.

“It is really quite amazing to be able to trap a single short piece of single-stranded DNA, to watch it for many seconds and directly observe a partner strand bind and unbind,” Moerner said. “This is really an essential process.”

The researchers conducted similar tests using proteins, and Wang said that the technology in its current state can easily be applied to many different types of molecules to study other binding processes.

“We’ve done the proof of concept for the method, and soon we want to apply it to two very specific problems and get some science out of it,” said Wang, who is a graduate student in electrical engineering.

The first involves drug design. Drugs target diseases by binding to receptor molecules on cells, and the drug’s effectiveness often depends on how well and for how long it binds to its receptor. By gauging the size and total charge of the molecules as they form a complex, the trap can directly measure how long it takes for the drug to find its receptor and how long the complex stays together. This information could guide scientists toward designing drugs that better match their target receptor.

Another application is to study the role protein aggregation plays in various diseases. As people age, proteins can become “sticky” and accumulate, a hallmark of several diseases, including Huntington’s. The trap provides a direct way to study the size distribution of these proteins and how they aggregate; understanding this effect could lead to treatments that inhibit it.

Other students and postdoctoral scholars in Moerner’s group are working to make the trap respond even more quickly, to perform more optimally in other situations, or to study different properties of single molecules. Moerner said that the interdisciplinary makeup of his group (including him; he holds a degree in electrical engineering as well as in chemistry) is critical for understanding all the different facets of this work, and then for smart implementation of it.

“We use light to probe molecules – that’s physics and chemistry,” Moerner said. “And we apply it to biology and biomedical systems. But at the core is precise measurement, extracting as much information as possible from a single object, and that can be done with concepts from electrical engineering.

“It’s a natural thing at Stanford for students in one department to do thesis research in another. It’s one of the wonderful aspects at Stanford, and it can lead to wonderful work such as this.”

 

BY BJORN CAREY

 

 

News.stanford.edu [en línea] Stanford, CA (USA): news.stanford.edu, 07 de abril de 2014 [ref. 14 de marzo de 2014] Disponible en Internet: http://news.stanford.edu/news/2014/march/dna-binding-observed-031414.html

 



Novartis lanza la Enciclopedia de Líneas Celulares Cancerosas (CCLE, por sus siglas en inglés) para clasificar las líneas celulares cancerígenas del mundo

12 04 2012

La colaboración con el Instituto Broad ha dado lugar a una enciclopedia integral con la información genética y molecular de cerca de 1.000 líneas celulares del cáncer. 

La enciclopedia, disponible para el público, podría mejorar el diseño de los estudios sobre cáncer y permitir el avance en su investigación.

Los datos de la enciclopedia podrían ayudar a los investigadores a identificar a los pacientes que podrían obtener el mayor beneficio de un fármaco concreto. 

 

Novartis y el Instituto Broad han desarrollado una enciclopedia de líneas celulares cancerígenas que clasifica los perfiles genéticos y moleculares de cerca de 1.000 líneas celulares del cáncer en humanos utilizadas en la investigación y el desarrollo de fármacos. Los resultados de la colaboración, publicados en la revista Nature y divulgados por adelantado en internet [1], podrían permitir a los científicos de todo el mundo el uso de esta información para mejorar el diseño de los estudios clínicos contra el cáncer y avanzar en su investigación.

“El cáncer es una enfermedad genética. Las líneas celulares reflejan las alteraciones genéticas que originan los cánceres. Explorar las líneas celulares con medicamentos dirigidos a vías específicas, tal y como se ha realizado para la Enciclopedia de Líneas Celulares del Cáncer, proporciona una poderosa herramienta para el diseño del tratamiento del cáncer,” según afirmó Mark Fishman, Presidente de los Institutos de Novartis para la Investigación Biomédica (NIBR, por sus siglas en inglés). “Ponemos esta información a disposición del público yesperamos que muchos investigadores y otras personas del sector utilicen estos datos para descubrir nuevas dianas para los fármacos, con el fin de evaluar las actuales terapias y facilitar el tratamiento de estos pacientes con cáncer.”

Los datos de perfiles genéticos y moleculares de las líneas celulares están disponibles gratuitamente para la comunidad científica en la página web del Instituto Broad .

Los investigadores utilizan las líneas celulares para arrojar luz sobre cómo los pacientes podrían utilizar mejor los fármacos nuevos o los ya existentes. “Sin acceso a un conjunto de datos moleculares sistemáticamente recopilados, los investigadores no pueden relacionar los experimentos de las líneas celulares con los tumores de los pacientes cuando estén disponibles nuevos medicamentos,” afirmó William Sellers, Director Global de Oncología, NIBR. “La Enciclopedia de Líneas Celulares cancerígenas proporcionará a los científicos la posibilidad de construir modelos predictivos con los tipos de pacientes que responderán a un tipo concreto de fármacos.

Las líneas celulares fueron adquiridas a distribuidores comerciales de los EE.UU, Europa, Japón y Corea y representan la gran variedad del cáncer como enfermedad, ya que incluyen diversos subtipos de formas de cáncer tanto comunes como poco frecuentes. Según los principales autores e investigadores del NIBR, Jordi Barretina y Giordano Caponigro, cada línea celular se caracterizó genéticamente mediante una serie de análisis de gran rendimiento en el Instituto Broad, incluyendo los patrones de expresión de ARN globales, los cambios en el número de copias del ADN, así como variaciones en la secuencia del ADN en cerca de 1.600 genes asociados al cáncer, y perfiles farmacológicos de diversos fármacos en cerca de la mitad de las líneas celulares. Se desarrollaron algoritmos para predecir las respuestas a los fármacos en base a la composición genética y molecular de las células cancerígenas.

Emparejar esta información con formas de genotipar rápidamente las muestras de tumores de los pacientes representa el siguiente paso en el esfuerzo por permitir la personalización del tratamiento contra el cáncer. Algunos importantes hospitales investigadores ya realizan un perfil genético rutinario de los tumores de los pacientes con cáncer y es probable que muchos más les sigan, según apuntan los investigadores.

Este comunicado contiene ciertas informaciones anticipadas sobre el futuro, concernientes al negocio de la Compañía. Hay factores que podrían modificar los resultados actuales.

Pmfarma.com.mx [en línea] Barcelona (ESP): pmfarma.com.mx, 12 de abril de 2012 [ref. 02 de abril de 2012] Disponible en http://www.pmfarma.com.mx/noticias/6598-novartis-lanza-la-enciclopedia-de-lineas-celulares-cancerosas-ccle-por-sus-siglas-en-ingles-para-clasificar-las-lineas-celulares-cancerig.html



Científicos confirman que las pantallas táctiles de los smartphones pueden detectar biomoléculas

23 01 2012

De avanzar en sus investigaciones, los científicos hablan de un futuro donde las pantallas táctiles como las de los smartphones podrían llegar a ser capaces de eliminar el tiempo en las salas de espera de los médicos o incluso la posibilidad de detectar tipos de cáncer. La tecnología de las pantallas táctiles se puede utilizar para detectar la materia biomolecular tal y como se hace en las pruebas médicas.

Así lo han confirmado un grupo de investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología en Corea (KAIST). Según Hyung-gyu Park, quién dirigió el estudio:

“Todo comenzó a partir de la idea de que las pantallas táctiles trabajan mediante el reconocimiento de las señales electrónicas del toque del dedo, por lo que la presencia de proteínas específicas de ADN también se dan a conocer.”

Según los investigadores, las pantallas táctiles de los smartphones, PDAs o tabletas funcionan a través de la detección de cargas electrónicas del cuerpo del usuario en la pantalla. De esta forma, bioquímicos como las proteínas y las moléculas de ADN también tienen estas cargas específicas electrónicas.

Los experimentos llevados a cabo por el equipo mostraron que estas pantallas podían reconocer la existencia y la concentración de moléculas de ADN, hecho que sería el primer paso para que un día fueran capaces de utilizarse para llevar a cabo exámenes médicos.

“Hemos confirmado que las pantallas táctiles son capaces de reconocer las moléculas de ADN con casi un 100% de exactitud, casi de la misma forma que lo haría un equipo médico convencional. Esta igualdad creemos que es posible con las proteínas.”

“Hay proteínas conocidas en el mundo médico como aquellas que se utilizan para diagnosticar el cáncer de hígado… podríamos ser capaces de ver el estado del hígado del paciente.”

El siguiente paso según cuentan los investigadores es el desarrollo de un tipo de película en los materiales reactivos que pueda identificar sustancias bioquímicas específicas, probabilidad con la esperanza de que esto permita a las pantallas táctiles reconocer diferentes materiales biomoleculares.

Sea como fuere, es un primer paso. Como ellos mismos explican, nadie pondrá sangre u orina sobre una pantalla. Se piensa que las muestras se colocarían en un sistema que luego sería introducido en el teléfono o en un módulo que a su vez iría conectado al teléfono.

“… de esta forma, la ubicación y concentración de la muestra se reconocería de la misma manera que se reconoce el toque de los dedos.”

El Profesor Hyun Gyu Park (hgpark@kaist.ac.kr) pertenece al Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular (BK21 Program), del KAIST, 291 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 305-701 (Korea) http://bcbd.kaist.ac.kr

Alt1040.com [en línea] Madrid (España): alt1040.com, 23 de enero de 2012 [ref. 23 de enero de 2012] Disponible en Internet: http://alt1040.com/2012/01/cientificos-confirman-que-las-pantallas-tactiles-de-los-smartphones-pueden-detectar-biomoleculas



Consiguen crear componentes informáticos biológicos mediante bacterias

28 11 2011

Personal investigador del Imperial College de Londres (Reino Unido) ha demostrado que se pueden construir unidades básicas de procesamiento de datos, utilizadas habitualmente en dispositivos digitales como ordenadores y microprocesadores, mediante bacterias intestinales con el ADN modificado. Este descubrimiento supone un avance extraordinario para poder desarrollar ordenadores biológicos microscópicos.La investigación llevada a cabo en el Imperial College puede derivar en nuevos instrumentos que podrían detectar y neutralizar brotes tóxicos y desarmar cánceres mortales dentro del cuerpo.


En la actualidad todos los aparatos informáticos se basan en circuitos de silicio integrados por dispositivos electrónicos capaces de procesar datos digitales, lo que en lenguaje informático recibe el nombre de puertas lógicas. Estos dispositivos funcionan apagándose o encendiéndose según la codificación de datos en ceros y unos del lenguaje binario que utilizan todos los sistemas informáticos.

Ahora, un estudio encabezado por Richard Kitney del Imperial College ha conseguido demostrar que se pueden construir puertas lógicas mediante bacterias Escherichia coli (E. coli), los cuales se encuentran normalmente en el intestino grueso. El éxito de este experimento radica en la modificación del ADN de las bacterias para que, mediante estimulación química, se “apaguen” o “enciendan” imitando el funcionamiento de las puertas lógicas electrónicas convencionales.

Otra característica importante de estas puertas lógicas biológicas es su modularidad, lo que permite que se unan con el fin de crear redes más complejas, al igual que los chips electrónicos se combinan para procesar una cantidad de datos más grande.

Aunque todavía falta mucho camino por recorrer, el equipo investigador sugiere que este descubrimiento supone un paso de gigante para poder construir procesadores biológicos microscópicos. Estos pequeños ordenadores biológicos, que siguen siendo una utopía para la comunidad científica internacional, supondrían una gran revolución en el sector médico, ya que podrían ser introducidos dentro del cuerpo humano a través del riego sanguíneo, para combatir diversas enfermedades de manera selectiva, detectar y destruir células cancerosas o neutralizar toxinas peligrosas, entre otras posibles aplicaciones.

Gencat.cat [en línea] Barcelona (España): gencat.cat, 28 de noviembre de 2011 [ref. 24 de noviembre de 2011] Disponible en Internet:

http://www.gencat.cat/economia/ur/noticies/26279376.html



El ADN que detecta enfermedades

21 04 2011

Es un método que podría revolucionar la medicina del futuro. Con una ínfima cantidad en moléculas de ADN se podrá diagnosticar con máxima precisión las bacterias y virus causantes de enfermedades, así como averiguar la predisposición para contraerlas y planificar la mejor terapia contra las afecciones crónicas.

Todo ello será posible gracias al paso dado por un grupo de investigadores del centro tecnológico vasco CIC microGUNE. Este grupo ha desarrollado una innovadora técnica que, a través del análisis de una única molécula de ADN, permitirá detectar enfermedades. “Es una tecnología que posibilita la determinación de secuencias de ADN, detectando alteraciones genéticas para determinar genes específicos asociados a la detección precoz de las enfermedades”, explica Santos Merino, investigador del centro tecnológico.

Para ello, los científicos vascos han fabricado una serie de microchips que contienen nanocanales. Se trata de sellados mil veces más estrechos que el cabello de una persona y cuyas dimensiones se sitúan entre los 50 y 100 nanómetros, una millonésima parte de un metro. Una vez elaborados estos minúsculos dispositivos, los investigadores introducen las moléculas de ADN con el objetivo de monitorizar el grado de estiramiento de la partícula. “La idea es que este canal mantenga sus dimensiones intactas independientemente del número de moléculas que se introduzcan”, detalla Santos Merino. El último paso del proceso tiene que ver con el análisis de una única molécula. Una vez estirada, se mide su longitud y analiza su secuencia de ADN.

Entre las aplicaciones que ofrece esta novedosa técnica destaca la posibilidad de conocer la predisposición de los pacientes a padecer ciertas enfermedades, diagnosticarlas o establecer la mejor terapia una vez conocido el desarrollo de la enfermedad. “Podemos identificar virus y bacterias asociadas a las afecciones introduciendo enzimas para identificar fragmentos concretos de ADN en los que puede desarrollarse la enfermedad”, explica Santos Merino.

Entre las principales ventajas que ofrece este innovador método para los profesionales está la pequeña cantidad de moléculas que precisan los investigadores para poder diagnosticar posibles trastornos de salud. A esta atractiva prestación se añade la posibilidad de poder diagnosticar la enfermedad de una manera más rápida. En concreto, según explican los responsables de la investigación, el tiempo invertido en la detección podría reducirse a un minuto cuando lo habitual es que transcurra media hora antes de que los investigadores puedan diagnosticarla a través de las técnicas convencionales.

A estos beneficios prácticos se une la capacidad para codificar el ADN, lo que implica la posibilidad de obtener una información genética precisa sobre la salud de los pacientes. “El siguiente paso que daremos será el de introducir enzimas de restricción que nos servirán para cortar la doble hebra en un único fragmento, lo que nos permitirá detectar los biomarcadores exactos para identificar la enfermedad”, subrayan los investigadores.

A estas ventajas, Merino suma la “escalabilidad” de la producción de estos dispositivos en formato de nanocanales, cosa que posibilitará su comercialización futura a empresas biotecnológicas. “Desarrollamos una tecnología de litografía de nanoimpresión con la que podemos fabricar cantidades en masa”, indica el investigador. “Es una nueva técnica que  además, permite predecir la susceptibilidad a ciertos medicamentos de parte de la población“, concluye Merino.

ElMundo.es [en línea] Madrid (España): elMundo.es, 18 de abril de 2011 [ref. 21 de abril de 2011] Disponible en Internet:

http://www.elmundo.es/elmundo/2011/04/18/paisvasco/1303114090.html