Pesquisadores da Universidade de Aarhus desenvolveram um método chamado origami triplex, usando interações Hoogsteen para dobrar o DNA em várias formas compactas, oferecendo benefícios potenciais para terapia gênica e nanotecnologia de DNA. O método protege o DNA da degradação enzimática e pode revolucionar a maneira como manipulamos o DNA, embora as limitações atuais na necessidade de blocos de construção específicos estejam sendo abordadas.
Pesquisadores do laboratório Gothelf da Universidade de Aarhus desenvolveram um novo método revolucionário, chamado origami triplex, para manipular a forma e o empacotamento apertado do DNA. As descobertas abrem novas e empolgantes possibilidades em terapia gênica, nanotecnologia e muito mais.
Cada célula do seu corpo contém cerca de 2 metros de DNA, que carrega as informações genéticas essenciais sobre você como indivíduo. Se você desenrolar todo o DNA contido em uma única pessoa, ele se estenderia por uma distância impressionante – o suficiente para alcançar o sol e voltar mais de 60 vezes. Para lidar com moléculas tão surpreendentemente longas, a célula comprime seu DNA em pacotes compactos chamados cromossomos.
"Imagine o DNA como um pedaço de papel no qual todas as nossas informações genéticas estão escritas." Diz Minke A.D. Nijenhuis, coautor correspondente do novo artigo. "O papel é dobrado em uma estrutura muito apertada para encaixar todas essas informações em um núcleo de células pequenas. Mas para ler as informações, partes do papel precisam ser desdobradas e depois dobradas novamente. Essa organização espacial do nosso código genético é um mecanismo central na vida. Quisemos, portanto, criar uma metodologia que permitisse aos pesquisadores projetar e estudar a compactação do DNA de fita dupla."
Figura 1: Pesquisadores da Universidade de Aarhus descobriram um novo método para construir e estudar o empacotamento de DNA. Crédito: Colourbox
Estrutura helicoidal tripla proporciona proteção e compacidade
Na natureza, o DNA é muitas vezes composto por duas fitas que são torcidas juntas em uma dupla hélice. Uma fita contém os genes responsáveis por codificar nossas características e a outra fita atua como um backup. Essas duas cadeias são mantidas juntas por certas ligações, chamadas interações Watson-Crick, que permitem que as duas cadeias se reconheçam e se liguem uma à outra. Além dessas interações bem conhecidas, há um tipo menos conhecido de interação entre fitas de DNA. Essas interações Hoogsteen ditas normais ou reversas permitem que uma terceira fita se una e forme uma bela estrutura tripla helicoidal: um triplex (figura 2).
Figura 2: Novas pesquisas mostram que, usando um novo método chamado origami triplex, pode-se criar hélices triplas de DNA que podem dobrar ou "dobrar" o DNA em estruturas compactas. Crédito: Minke A. D. Nijenhuis
No novo artigo publicado na revista científica Advanced Materials, pesquisadores do laboratório de Gothelf na Universidade de Aarhus introduziram um método simples para organizar fitas de DNA. O método é baseado nas interações Hoogsteen acima mencionadas. A pesquisa mostra que, usando esse método, o DNA pode ser dobrado ou "dobrado" de uma forma que cria estruturas compactas. Essas estruturas podem assumir várias formas, desde formas bidimensionais ocas até construções tridimensionais densas e tudo mais. Na verdade, você pode até criar estruturas que se assemelham a um vaso de flores. Os pesquisadores chamam seu método de triplex de origami (figura 3).
Potencial em terapia gênica e além
Usando o origami triplex, os cientistas podem alcançar um controle sem precedentes sobre a forma das moléculas de DNA, abrindo novas possibilidades de pesquisa. Estudos anteriores sugeriram que a formação de triplex desempenha um papel no empacotamento natural do DNA nas células, e este estudo pode nos ajudar a aprender mais sobre esse processo biológico crítico.
O estudo também mostra que a formação de triplex protege o DNA da degradação enzimática. A capacidade de comprimir e proteger o DNA usando o método de origami triplex pode, portanto, ser de grande importância na terapia gênica, onde as células doentes são reparadas entregando uma função que lhes falta por meio de um pacote de DNA.
Figura 3: Enovelamento mediado por triplex do dsDNA, a) Uma sequência de dsDNA contendo domínios formadores de triplex (coloridos) é dobrada por quatro fitas TFO, ou seja, DNA de fita simples atuando como grampos, em uma estrutura hairpin b) Imagens de duas estruturas hairpin feitas com microscopia de força atômica (AFM). c) Estrutura em forma de S formada a partir de um DNA de polipirina. d) Montagem de um grande origami TFO semelhante a uma estrutura de flor em vaso a partir de um pedaço de 9000 bases de DNA de fita dupla. Barra de escala = 100 nm. Crédito: Gothelf Lab, Universidade de Aarhus
As incríveis propriedades biológicas da sequência e estrutura do DNA já foram utilizadas na nanotecnologia, o que teve impacto em tratamentos médicos, diagnósticos e muitas outras áreas. "Nas últimas quatro décadas, a nanotecnologia de DNA dependeu quase exclusivamente de interações de base Watson-Crick para montar DNA de fita simples e organizá-los em nanoestruturas personalizadas." Diz o professor Kurt V. Gothelf. "Agora sabemos que as interações Hoogsteen têm o mesmo potencial para organizar o DNA de fita dupla, o que apresenta uma expansão conceitual significativa para o campo."
Gothelf e colaboradores demonstraram que a dobragem mediada por Hoogsteen é compatível com métodos baseados em Watson-Crick de última geração. Devido à rigidez comparativa do DNA de fita dupla, no entanto, as estruturas de origami triplex requerem menos materiais de partida. Isso permite que estruturas maiores sejam formadas a um custo significativamente menor.
O novo método tem a limitação de que a formação de triplex normalmente requer longos trechos de um bloco de construção específico, chamados bases de purinas. Aqui, os pesquisadores usaram sequências de DNA artificial em vez de DNA genético natural. No futuro, eles trabalharão para superar essa limitação.