El papel de los físicos en la creación y desarrollo de la biología molecular moderna es importante. El descubrimiento de la estructura del ADN por Crick y Watson tiene parcialmente su fuente en una obra publicada en 1944 por el premio Nobel de física Erwin Schrödinger. En su opúsculo “¿Qué es la vida?”, Schrödinger predecía la existencia de un cristal aperiódico en el interior de los cromosomas, que obedecería a las leyes de la termodinámica estadística y de la mecánica cuántica. Hoy en día, casi todo el mundo sabe que ese cristal aperiódico no es sino la famosa molécula de la doble hélice. Piotr E. Marszalek y su equipo de la Facultad de Ingeniería Pratt de la Universidad de Duke, acaban de publicar un artículo en el cual informan de la primera medición directa de las fuerzas moleculares responsables de los enlaces en la molécula de ADN.

El video superior muestra simulaciones informática del mecanismo molecular unido al ADN en las células vivas. La primera película ilustra cómo la molécula de ADN se pliega y se enrolla para constituir los cromosomas en una célula en proceso de división. La segunda muestra la replicación de la molécula de ADN con abertura de la doble hélice y copia de cada cordón para formar dos moléculas nuevas de ADN.

Las propiedades mecánicas de las moléculas y de los agregados de átomos son de una gran importancia en biología y en nanotecnología. El equipo del profesor Marszalek se concentra en el estudio de las deformaciones plásticas y elásticas de los nanofilamentos y de los biopolímeros como proteínas, polisacáridos y, en este caso, el ácido desoxirribonucleico o ADN.

Para comprender lo que han hecho, evoquemos algunas nociones de la estructura del AND. Como puede verse en el esquema inferior, el ADN está compuesto de dos cordones enrollados constituidos por la reproducción periódica de un conjunto de fosfato-azúcar (desoxirribosa). Sobre este esqueleto se encuentra montada una distribución aperiódica de moléculas llamadas bases nitrogenados, representadas por sus símbolos A, T, G, C por Adenina, Timina, Guanina y Citosina. El conjunto forma parte de las moléculas conocidas con el nombre de nucleótidos.

Esquema
Créditos: Espacio web de biología de la red educativa del Québec

Para penetrar todos los secretos de los seres vivos, hay que comprender todas las propiedades fisicoquímicas de esta molécula. Pueden modelizarse algunas de ellas en biofísica gracias a la mecánica estadística de polímeros y a las ecuaciones de química cuántica. También se pueden hacer impresionantes simulaciones digitales del funcionamiento del ADN en las células. Sin embargo, toda teoría debe confrontarse con la realidad y, con harta frecuencia, los teóricos son incapaces de comprender los mecanismos y leyes que la naturaleza utiliza en realidad.

Una de las cuestiones importantes relativas al ADN es la de las fuerzas que estabilizan su estructura. En este caso se trata de comprender y modelizar los enlaces químicos entre bases complementarias y, finalmente, entre los agrupamientos fosfato-desoxirribosa y esas mismas bases nitrogenadas. Hasta ahora las características de esas fuerzas se habían deducido indirectamente a partir de mediciones hechas sobre BRINS de ADN no separadas y resultaba difícil aislar las contribuciones de las diferentes fuerzas.

Para orillar esta dificultad, los investigadores utilizaron un microscopio de fuerza atómica sobre una única hebra de ADN. Es una técnica notable que permite medir con precisión fuerzas entre moléculas del orden del pico-newton. Comparativamente las fuerzas ejercidas entre dos botellas de agua son de 20 newtones.

No obstante, las mediciones que realizaron no fueron sobre moléculas de ADN naturales, sino que sintetizaron dos tipos de moléculas, en un caso solamente con Adenina, y en el otro, únicamente con Timina. En el primer caso, se preveía que las atracciones entre nucleótidos serían más intensas mientras que para el de la Timina serían más débiles.

De hecho se observaron fuerzas de 23 y 113 pico-newtones y mientras que el BRIN de ADN formado de Timina tomaba una forma aleatoria, el de la Adenina tendía naturalmente a tomar forma de hélice, sugiriendo así que el origen de la forma de la molécula de la vida probablemente debía encontrarse en presencia de esta base. Sin embargo, todavía queda mucho que investigar.

Molécula de ADN