p Embora o DNA seja frequentemente idealizado como a "molécula da vida, "também é um polímero altamente sofisticado que pode ser usado para materiais de última geração. Além do fato de que pode armazenar informações, outros aspectos fascinantes do DNA são suas propriedades geométricas e topológicas, como nós e superenrolamento. De fato, muito parecido com um cabo telefônico trançado, O DNA é frequentemente encontrado enrolado dentro de bactérias e outras células e até mesmo enredado em vírus. Agora, uma colaboração de cientistas das Universidades de Edimburgo, San Diego e Viena começaram a aproveitar essas propriedades para criar fluidos complexos baseados em DNA "topologicamente ajustáveis" e materiais macios com aplicações potenciais na entrega de drogas e regeneração de tecidos, conforme publicado em Avanços da Ciência . p A conhecida forma de dupla hélice do DNA tem profundas implicações em seu comportamento. Uma molécula de DNA linear, que é uma molécula de DNA com duas extremidades, pode girar e girar livremente. Por contraste, juntar as duas extremidades para formar um círculo de DNA implica que qualquer torção maior ou menor da dupla hélice permanece "topologicamente bloqueada, "ou seja, a torção extra não pode ser removida sem cortar a molécula. Mais ou menos torções têm consequências interessantes sobre como as moléculas de DNA se organizam no espaço - em particular, eles se enrolam e se dobram sobre si mesmos de forma muito semelhante a um velho fio telefônico nas chamadas conformações superenroladas (Fig. 1). A flambagem do DNA alivia o estresse da torção excessiva / insuficiente, e assim diminui o tamanho total da molécula. Por essa razão, acredita-se que o superenrolamento seja um mecanismo natural empregado pelas células para empacotar seu genoma em espaços minúsculos. Embora o tamanho menor conduza naturalmente a uma difusão mais rápida de moléculas de DNA em solução, e. na água ou através dos poros do gel, por causa do arrasto inferior, esse comportamento bem compreendido não ocorre quando muitas moléculas de DNA estão empacotadas e emaranhadas como espaguete em uma tigela.

p "Fizemos simulações de computador em grande escala de soluções densas de moléculas de DNA com diferentes graus de superenrolamento e encontramos vários resultados surpreendentes, "explica Jan Smrek da Universidade de Viena, o primeiro autor do estudo. "Em contraste com o caso diluído, quanto mais superenrolados os anéis de DNA, quanto maior seu tamanho. "Uma vez que as moléculas precisam se evitar, suas formas adotam conformações fortemente assimétricas e ramificadas que ocupam mais volume do que suas contrapartes não superenroladas. Curiosamente, e ao contrário das expectativas, "as moléculas maiores de DNA ainda produzem uma difusão mais rápida." A difusão mais rápida significa que a solução tem menor viscosidade.

p Moléculas de DNA superenroladas que ocorrem naturalmente em bactérias são conhecidas como plasmídeos. Na Vivo, as células têm proteínas especiais chamadas topoisomerase, que podem reduzir a quantidade de superenrolamento nos plasmídeos. "Graças a essas proteínas - que podem ser purificadas e usadas em laboratório - somos capazes de controlar a extensão do superenrolamento em plasmídeos de DNA emaranhados e estudar sua dinâmica usando corantes fluorescentes. Ficamos surpresos ao descobrir que, na verdade, Plasmídeos de DNA que foram tratados com topoisomerase, e, portanto, com superenrolamento baixo, são mais lentos do que suas contrapartes altamente superenroladas, "explica Rae Robertson Anderson, que liderou os experimentos na Universidade de San Diego.

p Para explicar a surpreendente dinâmica mais rápida, os cientistas usaram simulações em grande escala em supercomputadores para quantificar o quão emaranhadas estão as moléculas nas soluções. Embora seja conhecido que um polímero em forma de anel - bastante semelhante a um plasmídeo de DNA circular - pode ser encadeado por outro anel, o que significa que o último pode perfurar o olho do primeiro, não se sabia como esse tipo de emaranhamento impacta o movimento do DNA superenrolado. Graças às simulações, os cientistas descobriram que um alto grau de superenrolamento diminui a área penetrável de cada molécula resultante, por sua vez, em menos ligações entre os plasmídeos e, finalmente, produzindo uma solução com menor viscosidade. No entanto, os plasmídeos ainda podiam envolver um ao outro e restringir o movimento uns dos outros sem se entrelaçar. Ainda, o superenrolamento enrijece as conformações, tornando-as menos propensas a dobrar e se entrelaçar com força, o que também reduz esse tipo de emaranhamento.

p Davide Michieletto da Universidade de Edimburgo diz:"Não só encontramos esses novos efeitos em simulações, mas também demonstramos essas tendências experimentalmente e desenvolvemos uma teoria que as descreve quantitativamente. Ao alterar o superenrolamento, podemos ajustar a viscosidade desses fluidos complexos à vontade. Agora entendemos muito melhor a conexão entre a geometria adaptativa das moléculas e as propriedades do material resultante. Isso não é apenas emocionante do ponto de vista fundamental, mas também promete aplicações úteis. Usando enzimas dedicadas, como a topoisomerase, pode-se projetar materiais macios com base em DNA comutáveis ​​com propriedades ajustáveis. "