Kryokraftspektroskopi afslører de mekaniske egenskaber ved DNA-komponenter

Fysikere fra University of Basel har udviklet en ny metode til at undersøge elasticiteten og bindingsegenskaberne af DNA -molekyler på en overflade ved ekstremt lave temperaturer. Med en kombination af kryokraftspektroskopi og computersimuleringer, de var i stand til at vise, at DNA -molekyler opfører sig som en kæde af små spiralfjedre. Forskerne rapporterede deres fund i Naturkommunikation .

DNA er ikke kun et populært forskningsemne, fordi det indeholder blueprint for livet - det kan også bruges til at producere små komponenter til tekniske applikationer. I en proces kendt som DNA origami, forskere kan manipulere det genetiske materiale på en sådan måde, at foldning af DNA-strengene skaber små to- og tredimensionelle strukturer. Disse kan bruges, for eksempel, som beholdere til farmaceutiske stoffer som ledende rør og som yderst følsomme sensorer.

Måling ved lave temperaturer

For at kunne danne de ønskede former, det er vigtigt at kende strukturen, elasticiteten og bindingskræfterne af de anvendte DNA -komponenter. Disse fysiske parametre kan ikke måles ved stuetemperatur, fordi molekylerne konstant er i bevægelse.

Det samme er ikke tilfældet ved lave temperaturer:teamet ledet af professor Ernst Meyer fra Swiss Nanoscience Institute og University of Basel's Department of Physics har nu brugt kryokraftmikroskopi for første gang til at karakterisere DNA-molekyler og undersøge deres bindende kræfter og elasticitet.

Løsnet stykke for stykke

Forskerne placerede kun få nanometer lange DNA-tråde indeholdende 20-cytosinnukleotider på en guldoverflade. Ved en temperatur på 5 Kelvin, den ene ende af DNA -strengen blev derefter trukket opad ved hjælp af spidsen af ​​et atomkraftmikroskop. I processen, de enkelte komponenter i strengen frigjorde sig lidt efter lidt fra overfladen. Dette gjorde det muligt for fysikerne at registrere deres elasticitet samt de kræfter, der kræves for at løsrive DNA -molekylerne fra guldoverfladen.

"Jo længere det løsrevne stykke DNA, jo blødere og mere elastisk DNA -segmentet bliver, "forklarer hovedforfatter Dr. Rémy Pawlak. Dette er fordi de individuelle komponenter i DNA'et opfører sig som en kæde af flere spiralfjedre forbundet til hinanden. Takket være målingerne, forskerne var i stand til at bestemme fjederkonstanten for de enkelte DNA -komponenter.

Computersimuleringer præciserer, at DNA'et løsnes diskontinuerligt fra overfladen. Dette skyldes brud på bindinger mellem cytosinbaser og DNA -rygraden fra guldoverfladen, og deres pludselige bevægelser over guldoverfladen. De teoretiske elasticitetsværdier korrelerer meget tæt med eksperimenterne og bekræfter modellen af ​​serielt arrangerede fjedre.

Snapshots giver indsigt

Undersøgelserne bekræfter, at kryokraftspektroskopi er meget velegnet til at undersøge kræfterne, elasticitet og bindingsegenskaber af DNA -strenge på overflader ved lave temperaturer.

"Som med kryogen elektronmikroskopi, vi tager et øjebliksbillede med kryokraftspektroskopi, som giver os et indblik i egenskaberne af DNA, "forklarer Meyer." Fremover, vi kunne også gøre brug af scanningsprobe -mikroskopbilleder til at bestemme nukleotidsekvenser. "