Effektiv og high-throughput teknik til at studere strukturen af ​​DNA

Det kan være den mest berømte struktur i biologi, men det var først for et par år siden, at biofysiker Enzo di Fabrizio og hans kolleger tog de første direkte billeder af DNA-dobbelthelixen med et elektronmikroskop.

Nu, di Fabrizio og hans laboratoriegruppe på KAUST har forbedret deres banebrydende teknik, tweaking protokollen for at gøre den enklere og hurtigere.

"Det er et effektivt alternativ med høj gennemstrømning til mere konventionelle teknikker, " siger Monica Marini, postdoc i di Fabrizios laboratorium og førsteforfatter til det nye studie.

Billedet, der hjalp Watson og Crick med at tyde den proptrækkerlignende struktur af DNA for 65 år siden, blev taget ved hjælp af en teknik kaldet røntgenkrystallografi, som involverer spredning af elektromagnetisk stråling fra atomer i en krystalliseret form af DNA. I årtier, dette var den eneste måde at få 3D-gengivelser af livets byggesten.

Men de billeder var kun abstraktioner, baseret på fortolkninger af diffrakterede røntgenstråler. Det var ikke rigtige fotografier. Og det var først i 2012 - da di Fabrizio, tilbage i sit hjemland Italien, producerede det første direkte billede af DNA - at forskerne fik et trofast billede af den dobbelte helix.

Di Fabrizio flyttede til KAUST i 2013, og i løbet af de sidste fem år har hans gruppe støt forbedret og bygget videre på den originale billeddannelsesprotokol, som involverede transmissionselektronmikroskopi (TEM), en teknik, hvor elektroner udstråles på fotografisk film.

Deres metode går ud på at sprede små dråber af væske indeholdende DNA på siliciumwafers ætset med små cylindriske søjler og huller. Når dråberne tørrer ud, DNA'et strækker sig ud over det mikroskopiske leje af søjler, skabe spoler af indbyrdes forbundne tråde.

Tidligere, Di Fabrizios team havde anvendt TEM til at fange billeder af DNA-strengene direkte. Men nu, de har også udført en mere ligetil diffraktionsanalyse af TEM-strålerne - og dermed "skabt et eksperiment, der er ret ens, i form af fysiske principper, til det, der blev gjort af de videnskabsmænd, der først opdagede DNA-strukturen, " siger Andrea Falqui, et andet KAUST-fakultetsmedlem, der har samarbejdet med di Fabrizio i tidligere værker.

Som di Fabrizio og Marini viser, denne diffraktionsbaserede tilgang producerede billeder, der målte afstanden mellem trinene på DNA-stigen lige så præcist som direkte TEM-billeddannelse. Nu, forskerne planlægger at bruge denne teknik til at afbilde mere komplekse arrangementer af DNA. For eksempel, de vil se på DNA, når det interagerer med proteiner, stoffer eller tungmetaller.

Alle disse interaktioner "kan forårsage variationer i den uberørte konformation af den dobbelte helix, Marini siger, og snart skulle de have det fotografiske bevis for at se disse ændringer i detaljer.