Kemiske ingeniører opdager, hvordan man kontrollerer knuder, der dannes i DNA-molekyler

Ligesom enhver lang polymerkæde, DNA har tendens til at danne knuder. Ved at bruge teknologi, der gør det muligt for dem at strække DNA-molekyler og afbilde adfærden af ​​disse knuder, MIT forskere har opdaget, for første gang, de faktorer, der bestemmer, om en knude bevæger sig langs strengen eller "sidder fast" på plads.

"Folk, der studerer polymerfysik, har foreslået, at knuder måske kan sætte sig fast, men der har ikke været gode modelsystemer til at teste det, " siger Patrick Doyle, Robert T. Haslam professor i kemiteknik og seniorforfatter af undersøgelsen. "Vi viste, at den samme knude kunne gå fra at være fastklemt til at være mobil langs det samme molekyle. Du ændrer betingelser, og den stopper pludselig, og så skift dem igen, og det bevæger sig pludselig."

Resultaterne kan hjælpe forskere med at udvikle måder at løse DNA-knuder på, som ville hjælpe med at forbedre nøjagtigheden af ​​nogle genomsekventeringsteknologier, eller for at fremme knudedannelse. Inducering af knudedannelse kunne forbedre nogle typer sekventering ved at bremse DNA-molekylernes passage gennem systemet, siger forskerne.

MIT postdoc Alexander Klotz er den første forfatter af papiret, som vises i 3. maj-nummeret af Fysisk gennemgangsbreve .

Knob i bevægelse

Doyle og hans elever har studeret fysikken i polymerknuder såsom DNA i mange år. DNA er velegnet til sådanne undersøgelser, fordi det er et relativt stort molekyle, gør det nemt at tage billeder med et mikroskop, og det kan let fremkaldes til at danne knuder.

"Vi har en mekanisme, der får DNA-molekyler til at kollapse til en lille kugle, som, når vi strækker ud, indeholder meget store knaster, " siger Klotz. "Det er som at stikke dine hovedtelefoner i lommen og trække dem ud fulde af knuder."

Når knuderne dannes, forskerne kan studere dem ved hjælp af et specielt mikrofluidsystem, som de har designet. Kanalen er formet som et T, med et elektrisk felt, der divergerer i toppen af ​​T'et. Et DNA-molekyle placeret i toppen af ​​T'et vil blive trukket lige meget mod hver arm, tvinger den til at blive på plads.

MIT-holdet fandt ud af, at de kunne manipulere knuder i disse fastgjorte DNA-molekyler ved at variere styrken af ​​det elektriske felt. Når feltet er svagt, knob har en tendens til at bevæge sig langs molekylet mod den tættere ende. Når de når enden, de optrævler.

"Når spændingen ikke er for stærk, de ser ud som om de bevæger sig tilfældigt rundt. Men hvis du ser dem længe nok, de har en tendens til at bevæge sig i én retning, mod den tættere ende af molekylet, " siger Klotz.

Når feltet er stærkere, tvinger DNA'et til at strække sig helt ud, knuderne sætter sig fast. Dette fænomen ligner det, der sker med en knude i en perlehalskæde, når halskæden trækkes strammere, siger forskerne. Når halskæden er slap, en knude kan bevæge sig langs den, men når den trækkes stramt, halskædens perler kommer tættere på hinanden, og knuden sætter sig fast.

"Når du strammer knuden ved at strække DNA-molekylet mere, det bringer trådene tættere på hinanden, og dette øger friktionen, " siger Klotz. "Det kan overvælde drivkraften forårsaget af det elektriske felt."

Fjernelse af knude

DNA-knuder forekommer også i levende celler, men celler har specialiserede enzymer kaldet topoisomeraser, der kan løse sådanne knob. MIT-holdets resultater tyder på en mulig måde at fjerne knuder fra DNA uden for celler relativt let ved at anvende et elektrisk felt, indtil knuderne rejser hele vejen til enden af ​​molekylet.

Dette kan være nyttigt til en type DNA-sekventering kendt som nanokanalkortlægning, som går ud på at strække DNA langs et smalt rør og måle afstanden mellem to genetiske sekvenser. Denne teknik bruges til at afsløre store genomændringer såsom genduplikation eller gener, der bevæger sig fra et kromosom til et andet, men knuder i DNA'et kan gøre det sværere at få nøjagtige data.

For en anden type DNA-sekventering kendt som nanopore-sekventering, det kunne være fordelagtigt at fremkalde knuder i DNA, fordi knuderne får molekylerne til at sænke farten, når de rejser gennem sequenceren. Dette kunne hjælpe forskerne med at få mere præcis sekvensinformation.

Det kan også være nyttigt at bruge denne tilgang til at fjerne knaster fra andre typer polymerer, såsom dem, der bruges til at fremstille plast, fordi knaster kan svække materialer.

Forskerne studerer nu andre fænomener relateret til knob, inklusive processen med at løse mere komplekse knuder end dem, de studerede i dette papir, samt interaktionerne mellem to knob i et molekyle.