La física cuántica y la computacional permiten ver propiedades del ácido desoxirribonucleico (ADN) que, a nivel experimental, son difíciles de apreciar, como las huellas vibracionales de las unidades nucleicas que integran la molécula de la vida.
Al estudiar fragmentos pequeños, pero significativos de éste, Rubén Santamaría, académico de la UNAM, identificó las formas propias de vibrar e interaccionar de sus unidades básicas: adenina, guanina, timina y citosina.
El experto indaga, por ejemplo, cómo reacciona el ADN con compuestos en la célula. Su esqueleto o estructura (también llamado backbone y que no comprende a las bases nucleicas básicas) funge como un faro que con segmentos cargados eléctricamente (en secuencia alternante) anuncia a larga distancia la interacción con otros compuestos celulares.
“Desde lejos, éstos detectan las cargas del backbone y al acercarse, las de la adenina, guanina, timina y citosina se hacen sentir y muestran sus diferencias locales, lo que les permite identificar las bases específicas del ácido desoxirribonucleico”, expuso el investigador del Instituto de Física (IF) de la UNAM.
Santamaría también mostró que así como el humano posee una huella dactilar, el ADN tiene una vibracional, pues cada base nucleica tiene una manera propia de vibrar.
Al estudiar uno de sus segmentos, el universitario sabe de qué secuencia se trata con sólo registrar su patrón o espectro vibracional, compuesto por frecuencias e intensidades que otorgan la peculiaridad mencionada.
“Con física cuántica y cómputo pesado podemos establecer intensidades, cantidad de vibraciones, frecuencias y vibraciones únicas del ADN. A nivel experimental es posible registrarlas, pero es difícil determinar cómo se mueven los átomos”, dijo.
Hoy, como parte del proyecto Caracterización de la Estructura y Propiedades del ADN en el marco de la Mecánica Cuántica, se ha empezado a estudiar la interacción de la molécula de la vida con contaminantes de la atmósfera de la ciudad de México.
Santamaría y Daniel Zapata —estudiante de doctorado en Física— investigan el sulfito de sodio (Na2SO3) porque, según resultados experimentales de otras ciencias, afecta al ADN, “aunque no se sabe cómo ni dónde”.
Vía simulaciones de dinámica molecular, hacen interaccionar el Na2SO3 con las bases nucleicas del ADN para establecer cómo las perturba. Éste puede llegar de muchas maneras al ADN y para cada forma se comporta de modo diferente. A estas respuestas se les llama caminos o canales de reacción.
Zapata, que analiza el papel de dichas vías en la interacción de compuestos contaminantes con las unidades básicas del ADN, descubrió que el sulfito de sodio, al encontrarse con la citosina, le roba un hidrógeno. Un grupo de científicos chinos lo había descubierto, pero no se sabía cómo se daba hasta que el joven dio con la respuesta.
“Ahora podemos ver la película completa: cómo se acerca el compuesto, por donde interacciona y empieza a alterar a la citosina. Al principio no hay daño, pues esta última restaura su forma. Luego, observamos cómo uno de los oxígenos del Na2SO3 toma un hidrógeno de ésta y lo arrebata”, explicó Santamarina.
En este caso, al darse la pérdida, la base nitrogenada referida cambia químicamente. Con tanta polución que respiramos pueden pasar cosas más complicadas en el ADN, pues si bien la célula tiene la capacidad de repararlo, llega un momento en que su maquinaria no es tan precisa e incluso puede sustituir erróneamente una base nucleica y causar una mutación, advirtió.
Aunque el ácido no deja de funcionar, ya no es la molécula inicial y las alteraciones inducidas pueden ser a favor o en contra de la evolución humana. En el caso de otros compuestos causantes de polución se postula que propiciarían desde malestares leves (alergia respiratoria, por ejemplo) hasta cáncer. En el caso del Na2SO3 no se sabe con precisión el resultado.
Por eso, dada la dificultad en reparar al ADN (aún no sabemos cómo hacerlo), para Santamaría lo mejor es anular o neutralizar esos contaminantes de origen. Ayudaría a mejorar la atmósfera de la ciudad de México que la gasolina fuera más limpia. De hecho, en países del primer mundo se invierten fondos para filtrar las emisiones de los comburentes para proteger a los ciudadanos.
Un proyecto a futuro de Santamaría es estudiar la interacción de proteínas con ADN. Como etapa preliminar, bajo su supervisión, Tania González, alumna de la maestría en Química, caracteriza el movimiento de una proteína con mecánica clásica o newtoniana.
Ella trabaja con la beta amiloide “porque hay mucha información experimental, podemos comparar los resultados obtenidos y es importante para la medicina. Ésta es una cadena de decenas de aminoácidos con una configuración tridimensional que se desenrolla y forma láminas depositadas en las neuronas. Se han encontrado dichas placas en el cerebro de pacientes con Alzheimer, aunque no se ha comprobado que sean la causa del mal”.
González ya tiene simulaciones de cómo se desplazan los átomos de esa proteína y lleva a cabo cálculos de mecánica clásica. Al obtener resultados, podrá compararlos con evidencias experimentales. Otra de sus tareas es realizar cálculos preliminares de ese movimiento en dos niveles de teorías: las mecánicas clásica y cuántica. Si los resultados son similares, el estudio continuará con la primera, por ser la herramienta más barata.
Hoy no es factible ver cómo interacciona la beta amiloide con otros compuestos porque el cálculo computacional es oneroso.
Otro hallazgo de Santamaría al aplicar mecánica cuántica al ácido es que este polímero tiene particularidades, pues es flexible para enrollarse y guardar la información genética, así como para desdoblarse y permitir su lectura. Aunque muchas moléculas no son capaces de esto, tales propiedades no son exclusivas del ADN.
Otra característica esencial es que sus dos hélices se abren y cierran con fuerzas relativamente menores para que otras proteínas, enzimas y moléculas actúen y lean la información guardada con fines de replicación, por ejemplo.
Además, preserva los datos genéticos en tan sólo cuatro moléculas orgánicas o unidades nucleicas relativamente fáciles de trabajar por el cuerpo humano. Sus cadenas están cargadas en secuencia alternante, junto con las cargas locales de la adenina, guanina, timina y citosina, para ser vislumbradas por los compuestos presentes en la célula.
El conjunto de estas propiedades moleculares hacen único al ADN. Ningún otro polímero tiene estas características necesarias para crear vida. “Es tan versátil que pensamos que es universal, con alta probabilidad de haber sido creado fuera de la Tierra”, concluyó.
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