Forskning viser, hvordan DNA-molekyler krydser nanoporer

Forskning præsenteret i et nyt papir medforfattet af Northwestern University lektor i maskinteknik Sandip Ghosal kaster nyt lys over, hvordan polymerer krydser små porer ti tusind gange mindre end et menneskehår.

Disse resultater kunne fremme en dybere forståelse af biofysikken i levende celler, måling af polymeregenskaber i forskellige kemiske industrier såsom plastfremstilling og fødevareforarbejdning, og design af biosensorer.

I papiret udgivet 30. august i Naturkommunikation , Ghosal og hans medforfattere præsenterer data, der viser, hvordan hastigheden af ​​DNA ændres, når det kommer ind eller ud af en nanopore. Overraskende nok, eksperimentet viste, at DNA-molekyler bevæger sig hurtigere, når de kommer ind i en nanopore (fremad translokation) og langsommere, når de forlader (bagud translokation).

Hvad sker der med DNA'et, Ghosal forklarer, er noget velkendt for maskiningeniører:et begreb kaldet "knækning, "studeret af store videnskabelige hjerner som Leonhard Euler og Daniel Bernoulli for mere end to århundreder siden, men sjældent studeret på molekylært niveau.

Ghosal og hans samarbejdspartnere konkluderede, at DNA-molekyler spænder under påvirkning af trykkræfter, når de kommer ind i nanopore, men trækkes lige af trækkræfter, når de bevæger sig i modsat retning. Den resulterende forskel i den geometriske konfiguration resulterer i større hydrodynamisk træk på molekylet i sidstnævnte tilfælde.

Undersøgelsen var motiveret af et ønske om at forstå, i detaljer, mekanikken bag et DNA-molekyles passage gennem en nanopore, et emne med rig videnskabelig nysgerrighed og formodninger.

"Vi ville vide, hvad der sker med DNA'et og hvorfor, " siger Ghosal, som også har en høflighedsansættelse i Institut for Ingeniørvidenskab og Anvendt Matematik.

I stedet for blot at bestemme DNA'ets gennemsnitlige translokationshastighed, Ghosals U.K.-baserede samarbejdspartnere - Ulrich F. Keyser, Maria Ricci, Kaikai Chen fra University of Cambridge, og Nicholas A.W. Klokke, nu fra University of Oxford -designede et innovativt eksperiment for at afsløre den faktiske variation af DNA's hastighed ved at indsætte markører langs DNA-molekylet. Denne "DNA-lineal" gjorde det muligt for forskerne at måle translokationshastigheden på hvert øjeblik. For derefter at indsamle store mængder data inden for en relativt kort tidsperiode, forskerne vendte gentagne gange spændingen hen over poren, at sende DNA'et ind og ud af nanoporen i en "ping-pong"-tilstand.

Gruppens arbejde bygger på den "resistive puls"-teknik, der blev introduceret for næsten 20 år siden til at detektere og karakterisere enkelte molekyler. Den idé er siden blevet anvendt til en række forskellige undersøgelser, herunder søgningen efter en ultrahurtig metode til DNA-sekventering og bestræbelserne på hurtigt at måle cellers mekaniske egenskaber.

Ghosal beskriver sit teams arbejde som et potentielt "første trin i at udvide den resistive pulsmetode til at bestemme polymerers mekaniske egenskaber."

Selvom Ghosal indrømmer, at arbejdet i sig selv er rent nysgerrighedsdrevet forskning designet til at undersøge, hvad der kan gøres mere med den resistive pulsteknik, resultaterne kunne ikke desto mindre have anvendelse i den virkelige verden på ethvert område, hvor måling af polymeregenskaber er vigtig.

"Hver polymer har en karakteristisk belastning, ved hvilken den vil bøje og, derfor, Forskellen mellem fremadgående og bagudgående translokationstid giver en måde at måle bøjningsstivheden af ​​polymerer, " sagde Ghosal. "Det er utrolig spændende, at vi nu kan observere dette, " siger Ghosal.