Projeto de ácido nucleico

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O projeto de ácido nucleico pode ser usado para criar complexos de ácido nucleico com estruturas secundárias complicadas , como essa junção de quatro braços. Essas quatro fitas se associam a essa estrutura porque maximiza o número de pares de bases corretos , com A 's combinados com T 's e C 's combinados com G 's. Imagem de Mao, 2004. [1]

O projeto de ácido nucleico é o processo de geração de um conjunto de sequências de base de ácido nucleico que se associarão a uma conformação desejada. O projeto de ácido nucleico é central para os campos de nanotecnologia de DNA e computação de DNA . [2] É necessário porque existem muitas sequências possíveis de fitas de ácido nucleico que se dobrarão em uma determinada estrutura secundária , mas muitas dessas sequências terão interações adicionais indesejadas que devem ser evitadas. Além disso, existem muitas considerações de estrutura terciária que afetam a escolha de uma estrutura secundária para um determinado projeto. [3] [4]

O projeto de ácido nucleico tem objetivos semelhantes ao projeto de proteínas : em ambos, a sequência de monômeros é racionalmente projetada para favorecer a estrutura dobrada ou associada desejada e desfavorecer estruturas alternativas. No entanto, o projeto de ácido nucleico tem a vantagem de ser um problema computacionalmente muito mais simples, uma vez que a simplicidade das regras de emparelhamento de bases de Watson-Crick leva a métodos heurísticos simples que produzem projetos experimentalmente robustos. Modelos computacionais para dobramento de proteínas requerem informações de estrutura terciária, enquanto o design de ácido nucleico pode operar em grande parte no nível de estrutura secundária. No entanto, as estruturas de ácidos nucleicos são menos versáteis do que as proteínas em sua funcionalidade. [2] [5]

O desenho do ácido nucleico pode ser considerado o inverso da previsão da estrutura do ácido nucleico . Na predição de estrutura, a estrutura é determinada a partir de uma sequência conhecida, enquanto no projeto de ácido nucleico, é gerada uma sequência que formará uma estrutura desejada. [2]

Conceitos fundamentais [ editar ]

Estrutura química do DNA. As duplas hélices de ácido nucleico só se formarão entre duas fitas de sequências complementares , onde as bases são combinadas apenas em pares AT ou GC.

A estrutura dos ácidos nucleicos consiste em uma sequência de nucleotídeos . Existem quatro tipos de nucleotídeos distinguidos por qual das quatro nucleobases eles contêm: no DNA são adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). Os ácidos nucleicos têm a propriedade de duas moléculas se ligarem uma à outra para formar uma dupla hélice apenas se as duas sequências forem complementares , ou seja, elas podem formar sequências correspondentes de pares de bases . Assim, em ácidos nucleicos, a sequência determina o padrão de ligação e, portanto, a estrutura geral. [5]

A concepção de ácido nucleico é o processo pelo qual, dada uma estrutura ou funcionalidade alvo desejada, são geradas sequências para cadeias de ácido nucleico que se auto-montarão nessa estrutura alvo. O design de ácido nucleico abrange todos os níveis de estrutura de ácido nucleico :

Uma das maiores preocupações no projeto de ácido nucleico é garantir que a estrutura alvo tenha a energia livre mais baixa (ou seja, é a mais favorável termodinamicamente ), enquanto as estruturas mal formadas têm valores mais altos de energia livre e são, portanto, desfavorecidas. [2] Esses objetivos podem ser alcançados através do uso de uma série de abordagens, incluindo heurísticas , termodinâmicas e geométricas. Quase todas as tarefas de projeto de ácidos nucleicos são auxiliadas por computadores, e vários pacotes de software estão disponíveis para muitas dessas tarefas.

Duas considerações no projeto de ácido nucleico são que as hibridizações desejadas devem ter temperaturas de fusão em uma faixa estreita, e quaisquer interações espúrias devem ter temperaturas de fusão muito baixas (ou seja, devem ser muito fracas). [5] Há também um contraste entre "design positivo" de otimização de afinidade, que busca minimizar a energia da estrutura desejada em um sentido absoluto, e "design negativo" de otimização de especificidade, que considera a energia da estrutura alvo em relação à aquelas de estruturas indesejadas. Algoritmos que implementam os dois tipos de projeto tendem a ter um desempenho melhor do que aqueles que consideram apenas um tipo. [2]

Abordagens [ editar ]

Métodos heurísticos [ editar ]

Os métodos heurísticos usam critérios simples que podem ser avaliados rapidamente para julgar a adequação de diferentes sequências para uma determinada estrutura secundária. Eles têm a vantagem de serem muito menos caros computacionalmente do que os algoritmos de minimização de energia necessários para modelagem termodinâmica ou geométrica, e serem mais fáceis de implementar, mas ao custo de serem menos rigorosos do que esses modelos.

A minimização da simetria de sequência é a abordagem mais antiga para o design de ácidos nucleicos e foi usada pela primeira vez para projetar versões imóveis de estruturas de DNA ramificadas. A minimização da simetria de sequência divide a sequência de ácido nucleico em subsequências sobrepostas de um comprimento fixo, chamado comprimento critério. Cada uma das 4 N subsequências possíveis de comprimento N pode aparecer apenas uma vez na sequência. Isso garante que não ocorram hibridizações indesejadas que tenham um comprimento maior ou igual ao comprimento do critério. [2] [3]

Uma abordagem heurística relacionada é considerar a "distância de incompatibilidade", significando o número de posições em um determinado quadro onde as bases não são complementares . Uma distância de incompatibilidade maior diminui a chance de que uma forte interação espúria possa acontecer. [5] Isso está relacionado ao conceito de distância de Hamming na teoria da informação . Outra abordagem relacionada, mas mais envolvida, é usar métodos da teoria de codificação para construir sequências de ácido nucleico com propriedades desejadas.

Modelos termodinâmicos [ editar ]

Informações sobre a estrutura secundária de um complexo de ácido nucleico juntamente com sua sequência podem ser usadas para prever as propriedades termodinâmicas do complexo.

Quando modelos termodinâmicos são usados ​​no projeto de ácidos nucleicos, geralmente há duas considerações: as hibridizações desejadas devem ter temperaturas de fusão em uma faixa estreita e quaisquer interações espúrias devem ter temperaturas de fusão muito baixas (ou seja, devem ser muito fracas). A energia livre de Gibbs de um duplex de ácido nucleico perfeitamente compatível pode ser prevista usando um modelo de vizinho mais próximo . Este modelo considera apenas as interações entre um nucleotídeo e seus vizinhos mais próximos na fita de ácido nucleico, somando a energia livre de cada uma das subpalavras de dois nucleotídeos sobrepostas do duplex. Isso é então corrigido para monômeros autocomplementares e para conteúdo de GC . Uma vez que a energia livre é conhecida, a temperatura de fusãodo duplex pode ser determinado. O conteúdo de GC sozinho também pode ser usado para estimar a energia livre e a temperatura de fusão de um duplex de ácido nucleico. Isso é menos preciso, mas também muito menos custoso computacionalmente. [5]

Software para modelagem termodinâmica de ácidos nucleicos inclui Nupack , [6] [7] mfold/UNAFold , [8] e Vienna . [9]

Uma abordagem relacionada, previsão de estrutura secundária inversa, usa pesquisa local estocástica que melhora uma sequência de ácido nucleico executando um algoritmo de previsão de estrutura e modificando a sequência para eliminar características indesejadas. [5]

Modelos geométricos [ editar ]

Um modelo geométrico de um tetraedro de DNA descrito em Goodman, 2005. [10] Modelos desse tipo são úteis para garantir que as restrições da estrutura terciária não causem tensão excessiva na molécula.

Modelos geométricos de ácidos nucleicos são usados ​​para prever a estrutura terciária . Isso é importante porque os complexos de ácido nucleico projetados geralmente contêm vários pontos de junção, o que introduz restrições geométricas ao sistema. Essas restrições decorrem da estrutura básica dos ácidos nucleicos , principalmente que a dupla hélice formada por duplexes de ácidos nucleicos tem uma helicidade fixa de cerca de 10,4 pares de bases por volta e é relativamente rígida . Devido a essas restrições, os complexos de ácido nucleico são sensíveis à orientação relativa dos sulcos maiores e menores nos pontos de junção. A modelagem geométrica pode detectar tensãodecorrentes de desalinhamentos na estrutura, que podem ser corrigidos pelo projetista. [4] [11]

Modelos geométricos de ácidos nucleicos para nanotecnologia de DNA geralmente usam representações reduzidas do ácido nucleico, porque simular cada átomo seria muito caro computacionalmente para sistemas tão grandes. Modelos com três pseudo-átomos por par de bases, representando os dois açúcares da espinha dorsal e o eixo da hélice, foram relatados como tendo um nível de detalhe suficiente para prever resultados experimentais. [11] No entanto, modelos com cinco pseudo-átomos por par de bases, incluindo explicitamente os fosfatos da espinha dorsal, também são usados. [12]

Software para modelagem geométrica de ácidos nucleicos inclui GIDEON , [11] Tiamat , [13] Nanoengineer-1 e UNIQUIMER 3D . [14] Preocupações geométricas são especialmente de interesse no projeto de origami de DNA , porque a sequência é predeterminada pela escolha da fita de andaime. O software especificamente para o design de origami de DNA foi feito, incluindo caDNano [15] e SARSE . [16]

Aplicativos [ editar ]

O design de ácido nucleico é usado na nanotecnologia de DNA para projetar fitas que se automontarão em uma estrutura alvo desejada. Estes incluem exemplos como máquinas de DNA , redes bidimensionais e tridimensionais periódicas, poliedros e origami de DNA . [2] Também pode ser usado para criar conjuntos de fitas de ácidos nucleicos que são "ortogonais", ou não interagem entre si, de modo a minimizar ou eliminar interações espúrias. Isso é útil na computação de DNA , bem como para aplicações de código de barras moleculares em biologia química e biotecnologia . [5]

Veja também [ editar ]

Referências [ editar ]

  1. ^ Mao, Chengde (dezembro de 2004). "A Emergência da Complexidade: Lições do DNA" . Biologia PLO . 2 (12): 2036-2038. doi : 10.1371/journal.pbio.0020431 . ISSN  1544-9173 . PMC  535573 . PMID  15597116 .
  2. ^ a b c d e f g Dirks, Robert M.; Lin, Milo; Winfree, Erik; Pierce, Niles A. (2004). "Paradigmas para design de ácido nucleico computacional" . Pesquisa de Ácidos Nucleicos . 32 (4): 1392-1403. doi : 10.1093/nar/gkh291 . PMC 390280 . PMID 14990744 .  
  3. ^ a b Seeman, N (1982). "Junções de ácido nucleico e reticulados". Revista de Biologia Teórica . 99 (2): 237–47. doi : 10.1016/0022-5193(82)90002-9 . PMID 6188926 . 
  4. ^ a b Sherman, W; Seeman, N (2006). "Projeto de Nanotubos de Ácido Nucleico Minimamente Tensionados" . Revista Biofísica . 90 (12): 4546-57. Bibcode : 2006BpJ....90.4546S . doi : 10.1529/biophysj.105.080390 . PMC 1471877 . PMID 16581842 .  
  5. ^ a b c d e f g Brenneman, Arwen; Condon, Anne (2002). "Projeto de vertente para computação biomolecular" . Informática Teórica . 287 : 39-58. doi : 10.1016/S0304-3975(02)00135-4 .
  6. ^ Dirks, Robert M.; Bois, Justin S.; Schaeffer, Joseph M.; Winfree, Erik; Pierce, Niles A. (2007). "Análise termodinâmica de cadeias de ácido nucleico de interação". Revisão do SIAM . 49 (1): 65–88. Bibcode : 2007SIAMR..49...65D . CiteSeerX 10.1.1.523.4764 . doi : 10.1137/060651100 . 
  7. ^ Zadeh, Joseph N.; Wolfe, Brian R.; Pierce, Niles A. (2011). "Projeto de sequência de ácido nucleico via otimização de defeito de conjunto eficiente" (PDF) . Jornal de Química Computacional . 32 (3): 439–452. doi : 10.1002/jcc.21633 . PMID 20717905 .  
  8. ^ Zuker, M. (2003). "Servidor web Mfold para dobramento de ácido nucleico e previsão de hibridização" . Pesquisa de Ácidos Nucleicos . 31 (13): 3406-15. doi : 10.1093/nar/gkg595 . PMC 169194 . PMID 12824337 .  
  9. ^ Gruber AR, Lorenz R, Bernhart SH, Neuböck R, Hofacker IL (2008). "A suíte de RNA de Viena" . Res. de Ácidos Nucleicos . 36 (problema do servidor Web): W70–4. doi : 10.1093/nar/gkn188 . PMC 2447809 . PMID 18424795 .  
  10. ^ Goodman, RP; Schaap, IAT; Tardin, CF; Erben, CM; Berry, RM; Schmidt, CF; Turberfield, AJ (9 de dezembro de 2005). "Montagem quiral rápida de blocos de construção de DNA rígido para nanofabricação molecular". Ciência . 310 (5754): 1661-1665. Bibcode : 2005Sci...310.1661G . doi : 10.1126/science.1120367 . ISSN 0036-8075 . PMID 16339440 . S2CID 13678773 .   
  11. ^ a b c Birac, Jeffrey J.; Sherman, William B.; Kopatsch, Jens; Constantinou, Pamela E.; Seeman, Nadrian C. (2006). "Arquitetura com GIDEON, um programa para design em nanotecnologia de DNA estrutural" . Journal of Molecular Graphics and Modeling . 25 (4): 470–80. doi : 10.1016/j.jmgm.2006.03.005 . PMC 3465968 . PMID 16630733 .  
  12. ^ "Descrições dos modelos PAM3 e PAM5" . Wiki de documentação do Nanoengineer-1 . Nanorex . Recuperado 2010-04-15 .
  13. ^ Williams, Sean; Lund, Kyle; Lin, Chenxiang; Wonka, Peter; Lindsay, Stuart; Yan, Hao (2009). "Tiamat: Uma ferramenta de edição tridimensional para estruturas de DNA complexas". Computação de ADN . Notas de aula em Ciência da Computação. Vol. 5347. Springer Berlim/Heidelberg. págs. 90-101. doi : 10.1007/978-3-642-03076-5_8 . ISBN 978-3-642-03075-8. ISSN  0302-9743 .
  14. ^ Zhu, J.; Wei, B.; Yuan, Y.; Mi, Y. (2009). "UNIQUIMER 3D, um sistema de software para projeto, análise e avaliação de nanotecnologia de DNA estrutural" . Pesquisa de Ácidos Nucleicos . 37 (7): 2164-75. doi : 10.1093/nar/gkp005 . PMC 2673411 . PMID 19228709 .  
  15. ^ Douglas, SM; Marblestone, AH; Teerapittayanon, S.; Vázquez, A.; Igreja, GM; Shih, WM (2009). "Prototipagem rápida de formas de origami de DNA 3D com caDNAno" . Pesquisa de Ácidos Nucleicos . 37 (15): 5001-6. doi : 10.1093/nar/gkp436 . PMC 2731887 . PMID 19531737 .  
  16. ^ Andersen, Ebbe S.; Dong, Mingdong; Nielsen, Morten M.; Jahn, Kasper; Lind-Thomsen, Allan; Mamdouh, Wael; Gothelf, Kurt V.; Besenbacher, Flemming; Kjems, JøRgen (2008). "DNA Origami Design de estruturas em forma de golfinho com caudas flexíveis". ACS Nano . 2 (6): 1213-8. doi : 10.1021/nn800215j . PMID 19206339 . 

Leitura adicional [ editar ]