Una nanoestructura de DNA actúa de enzima volteadora de lípidos

La nanoestructura de DNA voltea los lípidos de un lado de la bicapa lipídica a la otra más de 1000 veces tan rápido como las enzimas naturales llamadas escramblasas, publican los investigadores (Nat. Commun. 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04821-5).

La asimetría en la composición de los lípidos del interior y el exterior de las membranas biológicas es esencial para el buen funcionamiento de las células. Para mantener esta asimetría, tres tipos de enzimas controlan el movimiento de los lípidos entre las capas interior y exterior. Un tipo de enzimas, las escramblasas, mueven los lípidos de forma aleatoria entre las capas para equilibrar la composición de la membrana, que puede desencadenar la muerte celular por apoptosis. La escramblasa defectuosa se asocia con enfermedades como el síndrome de Scott, en el que la sangre coagula incorrectamente.

Las nanoestructuras de DNA publicadas por Ulrich F. Keyser de la Universidad de Cambridge, Aleksei Aksimentiev de la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign, y sus colaboradores, actúan como escramblasas sintéticas. Sin embargo, los científicos no planeaban esto originalmente.

"Estábamos interesados en obtener canales de DNA que actuasen como canales de iones artificiales," comenta Aksimentiev. Llevaron a cabo simulaciones por ordenador de nanoestructuras de DNA que el grupo de Keyser había obtenido como canales iónicos. Las nanoestructuras poseen ocho hebras de DNA, dos de las cuales incluyen colesterol en un extremo para anclar la estructura a la membrana.

Se supone que los canales iónicos están en contacto con la membrana lipídica de manera que nada se pierda a través de la barrera. Pero en las simulaciones por ordenador de su canal de DNA, el equipo de Aksimentiev observó que los lípidos en la membrana se torcían, formando un poro toroidal alrededor de la nanoestructura de DNA que conecta ambas capas de membranas. El poro permitía a los lípidos a lo largo del exterior de la nanoestructura voltearse entre los dos lados de la membrana.

Llevó dos años confirmar experimentalmente la actividad de la escramblasa. Pero los científicos nunca dudaron de que iban a conseguirlo. "Una vez que ves la formación del poro toroidal, la física del sistema asegura que los lípidos se mezclarán," comenta Asimentiev, porque el poro establece una conexión directa de las dos capas.

Para demostrar la mezcla, el grupo de Keyser insertó las nanoestructuras de DNA en vesículas sintéticas hechas con una mezcla de lípidos marcados y no marcados por fluorescencia. Indujeron la decoloración de la fluorescencia en la capa exterior.

"Si no se produjera la mezcla, entonces los lípidos de la capa interior no se decolorarían," explica Alexander Ohmann, un estudiante de doctorado en el grupo de Keyser. "Pero si propiciamos la mezcla con nuestra nanoestructura, sí que se decoloran."

Los investigadores observaron esta mezcla en ambas vesículas sintéticas formadas sólo por un tipo de lípido y en células cancerosas humanas con una composición de membrana más compleja. Las medidas por microscopía de fluorescencia revelaron que la nanoestructura voltea alrededor de 10.000.000 lípidos por segundo, tres órdenes de magnitud superior a la escramblasa natural.

"La comparación con una enzima es correcta," dice Friedrich Simmel,, un experto en nanotecnología de DNA de la Universidad Técnica de Munich. "Las enzimas son catalizadores que rebajan la barrera de activación de un proceso químico. Pero en este caso se trata de una enzima muy especial: la barrera de energía que tenemos aquí es la estructura de la membrana, que previene que los lípidos se volteen de un lado al otro rápidamente. Al conectar las dos capas, las estructuras de DNA eliminan esta barrera." Sin embargo, aunque considera que el trabajo es un "logro remarcable," tiene dudas que sea aplicable a otros tipos de enzimas.

En este momento las nanoestructuras de DNA no son controlables, pero el siguiente paso para los grupos de Keyser y Aksimentiev es desarrollar las nanoestructuras de DNA para que sean controlables mediante estímulos químicos o lumínicos. El objetivo a largo plazo sería utilizarlas para el tratamiento del síndrome de Scott. "En vez de tener una droga que arregle las escramblasas presentes en el cuerpo, podríamos remplazarlas por una versión artificial construida a partir de DNA," apunta Keyser. "Es una meta a largo plazo, pero nuestro trabajo muestra que es una posibilidad."

Traducción al español producida por Irene Maluenda Borderas de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.