Indfanger DNA-origami-foldning med en ny dynamisk model
De fleste mennesker kender til DNA-dobbelthelixen. Dens snoede stigeform dannes, fordi de lange DNA-stykker, der udgør vores genom, er nøjagtigt komplementære - hver adenin parret med en thymin, og hver cytosin parret med en guanin. Sekvenser af disse fire nukleotider indeholder den information, der er nødvendig for at opbygge proteinerne i vores kroppe, men de koder også for deres egen dobbeltspiralformede struktur.
Siden 1980'erne har videnskabsmænd imidlertid kapret disse parringsregler for at bygge andre strukturer end dobbeltspiraler. Dette felt kaldes DNA-nanoteknologi, og dets mest populære implementering, DNA-origami, giver forskere mulighed for at folde DNA i enhver form, hvilket giver en kraftfuld tilgang til at bygge enheder og maskiner i nanoskala.
DNA-origami involverer at sætte et langt stykke DNA, kaldet et stillads, sammen med hundredvis af omhyggeligt udvalgte korte stykker DNA, kaldet hæfteklammer, i et reagensglas og lade dem folde sammen til den designede struktur.
Teknologien er bemærkelsesværdig effektiv, hvor hele processen foregår i et eksperimentelt trin. På trods af den tilsyneladende enkelhed er processen kompleks, og forskerne har ikke et komplet billede af, hvad der sker under foldningen. Almindelige mikroskoper har svært ved at se DNA-origami-strukturer, fordi de er så små, og dem, der kan kræve, at strukturerne skal fæstnes til en overflade.
En måde at forsøge at forstå denne proces på er gennem computersimuleringer ved hjælp af en tilgang kendt som molekylær dynamik. Forskere har tidligere forsøgt at bruge disse simuleringer til at forstå, hvad der foregår, når DNA-origami-strukturer foldes. Imidlertid overvejer eksisterende modeller hvert enkelt nukleotid og de resulterende bevægelser af den udviklende struktur over milliarder af små tidstrin. Processen er beregningsmæssigt krævende, hvilket begrænser størrelsen af strukturerne og den tid, som dynamikken kan simuleres over.
For at komme uden om denne forhindring tager Gaurav Arya, professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke University, og hans doktorand Marcello Deluca et skridt tilbage.
I stedet for at simulere hvert enkelt nukleotid, udviklede de en ny model, der giver dem mulighed for at fange dynamikken i denne proces, mens de kun overvejer adfærden af grupper på otte nukleotider. Denne forenkling betyder, at selvom de stadig er i stand til at simulere strukturen i milliarder af trin, kan hvert af disse trin være meget større, og hvert trin er lettere at simulere.
Brug af denne tilgang i et papir offentliggjort online den 8. april i Nature Communications , Arya og DeLuca har vist, at de kan modellere dynamikken ved foldning hundredvis af gange for DNA-origami på over 8.000 nukleotider i størrelse. Den tidligere rekord for en enkelt simulering var 770.
"Vores teknik mangler de molekylære detaljer i eksisterende modeller, men det er ikke det, vi leder efter her," sagde Arya. "Vi er interesserede i den globale dynamik i hele komplekse strukturer, når de samler sig selv."
Resultaterne afslører allerede mange nye indsigter i dynamikken ved origamifoldning. For eksempel viste undersøgelsen, at disse strukturer begynder at ligne de endelige, foldede strukturer meget tidligt i processen, men at det tager lang tid at krystallisere til deres endelige form. Undersøgelsen antydede også, at et fænomen kaldet foldningsmomentum, som er meget vigtigt i proteinfoldning, også kan være på spil i origamifoldning.
Arya og DeLuca siger, at denne tilgang i sidste ende kan hjælpe de hundredvis af andre forskergrupper, der arbejder på dette område, med at optimere foldningen af deres strukturer. Ved at være i stand til at simulere foldningsresultatet af et design mange gange i løbet af en kort periode, vil forskerne være i stand til at forudsige slutproduktet og foretage forbedringer af deres design, før det nogensinde skal købes og foldes i laboratoriet.
De påpeger også, at denne modelleringstilgang kan hjælpe med at fremskynde potentielle anvendelser af DNA-origami, f.eks. til lægemiddellevering, da det giver en mere omfattende forståelse af, hvad der sker.
"DNA-origami-enheder kan designes til automatisk at frigive fangede molekyler, når de er udsat for et bestemt miljø, som de lavere pH-niveauer, der findes inde i en tumor," sagde DeLuca.
"Men en stor udfordring for at få sådan noget godkendt er en tilstrækkelig forståelse af disse enheder, herunder hvordan de foldes og frigiver deres last. Hvis vi kan tegne et bedre billede, kan det lette lovgivningsmæssige bekymringer for disse typer behandlinger."
Flere oplysninger: Marcello DeLuca et al, Mechanism of DNA origami foldning belyst ved mesoskopiske simuleringer, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46998-y
Journaloplysninger: Nature Communications
Leveret af Duke University
Varme artikler
-
Natur vs. laboratorium:Forskellene mellem eksperimentel evolution og naturlig tilpasningKredit:CC0 Public Domain Mennesker har ubevidst udført evolutionsforsøg i årtusinder gennem domesticering af planter, dyr og svampe. Startende med William Dallingers banebrydende eksperimenter i sl -
Ny zoomteknik afslører celleelektriske kredsløb for første gangKredit:University of Reading Cellebiologer har brugt en ny superopløsningsmikroskopiteknik til for første gang at kunne observere reaktioner på molekylært niveau. I et blad udgivet i Videnskaben -
Afslører denne dinosaurkirkegård deres sidste dag på jorden? En ekspert udforsker beviserneKredit:Pixabay/CC0 Public Domain Begravet i klipperne i North Dakota ligger beviser for den nøjagtige dag, hvor dinosaurerne blev udslettet fra planeten, for omkring 66 millioner år siden. Det er p -
Politisk ustabilitet og svag regeringsførelse fører til tab af arter, undersøgelse finderSorthalespove ( Limosa limosa ). Habitater spænder fra det russiske fjernøst til Europa, Afrika, og Australasien. Kredit:Szabolcs Nagy, Wetlands International. En omfattende ny undersøgelse af æ
- Faseovergang kubisk galliumnitrid fordobler ultraviolet emissionseffektivitet
- Forskere afslører, hvordan skelsættende CFC-forbud gav planeten en chance for at kæmpe mod den gl…
- GM Cruise autonome køretøjsenhed får $1,15B investering
- Øget vintersnesmeltning truer de vestlige vandressourcer
- En ny guldstandard:Brug af guld til at fjerne kræftsvulster
- Trump siger, at Apple skal hjælpe med politiets adgang til krypterede telefoner