Avanceret mikroskopi afslører usædvanlig DNA-struktur

En avanceret billedbehandlingsteknik afslører nye strukturelle detaljer af S-DNA, stigelignende DNA, der dannes, når molekylet oplever ekstrem spænding. Dette arbejde udført ved Sandia National Laboratories og Vrije University i Holland giver det første eksperimentelle bevis på, at S-DNA indeholder stærkt hældende basepar.

Den forudsigelige parring og stabling af DNA-baseparrene er med til at definere molekylets dobbeltspiralformede form. Forståelse af, hvordan baseparrene justeres igen, når DNA strækkes, kan give indsigt i en række biologiske processer og forbedre designet og ydeevnen af ​​nanoenheder bygget med DNA. Vippede basepar i strakt S-DNA er tidligere blevet forudsagt ved hjælp af computersimuleringer, men aldrig endegyldigt demonstreret i eksperimenter indtil nu, ifølge en nylig artikel i Science Advances.

DNA er mest kendt som den molekylære bærer af genetisk information. Imidlertid, i forskningslaboratorier rundt om i verden, det har også en anden anvendelse:byggemateriale til enheder i nanoskala. At gøre dette, forskere forbereder computergenererede sekvenser af enkeltstrenget DNA, så visse sektioner danner basepar med andre sektioner. Dette tvinger strengen til at bøje og folde som origami. Forskere har brugt dette princip til at folde DNA til mikroskopiske smiley ansigter, nanomaskiner med bevægelige hængsler og stempler og "smarte" materialer, der spontant tilpasser sig ændringer i det omgivende kemiske miljø.

"At bygge et fly eller en bro, det er vigtigt at kende strukturen, styrke og strækbarhed af hvert materiale, der gik ind i det, sagde Adam Backer, en optisk videnskabsmand ved Sandia og hovedforfatter af undersøgelsen. "Det samme gælder, når man designer nanostrukturer med DNA."

Mens meget er kendt om de mekaniske egenskaber af DNA's dobbelthelix, mysterier forbliver om detaljerne i dets form, når molekylet strækkes i et laboratorium for at danne den stigelignende struktur af S-DNA. Standardmåder til visualisering af DNA-struktur kan ikke spore strukturelle ændringer, mens molekylet vrider sig.

At se strakt DNA

For at karakterisere strukturen og strækbarheden af ​​S-DNA, Backer arbejdede sammen med kolleger i forskningsgruppen Physics of Living Systems ved LaserLaB Amsterdam ved Vrije Universitet. Forskerne beskrev deres proces i tidsskriftsartiklen. Ved hjælp af instrumentering udviklet af hans kolleger, Backer fæstede først en mikroskopisk perle til hver ende af et kort stykke viralt DNA. Disse perler tjente som håndtag til at manipulere et enkelt DNA-molekyle.

Næste, forskerne fangede det perleformede DNA i et smalt væskefyldt kammer ved hjælp af to stramt fokuserede laserstråler. Fordi perlerne forbliver fanget inde i laserstrålerne, forskerne kunne flytte perlerne i kammeret ved at omdirigere laserstrålerne. Dette gjorde dem i stand til at strække det vedhæftede DNA for at danne S-DNA. Denne teknik til at manipulere mikroskopiske partikler, kaldet optisk pincet, gav også præcis kontrol over mængden af ​​strækkraft påført et enkelt DNA-molekyle.

Imidlertid, de strukturelle ændringer, der opstod i det strakte DNA-molekyle, var for små til at kunne observeres direkte med et standard optisk mikroskop. For at løse denne udfordring, Backer hjalp sine kolleger med at kombinere en billeddannelsesmetode kaldet fluorescenspolarisationsmikroskopi med det optiske pincetinstrument. Først, de tilføjede små, stavlignende fluorescerende farvestofmolekyler til opløsningen indeholdende optisk fanget DNA. I ustrakt DNA, farvestofmolekylerne klemmer sig ind mellem nabosæt af basepar og retter sig vinkelret på den dobbelte helixs centrale akse. Hvis en strækkraft får DNA-baseparrene til at vippe, farvestofferne ville også vippe.

Næste, forskerne brugte de fluorescerende signaler fra farvestofferne til at afgøre, om baseparrene i strakt DNA vippede. De fluorescerende farvestoffer udsender grønt fluorescerende lys, når de interagerer med lysbølger fra en laserstråle, der peger langs samme akse som farvestofmolekylerne. Forskerne ændrede orienteringen af ​​lysbølgerne ved at rotere en laserstråles polarisering gennem forskellige vinkler. Derefter, de strakte DNA'et og så efter, at grønne fluorescerende signaler dukkede op under mikroskopet. Ud fra disse målinger, og beregningsmetoder udviklet hos Sandia, forskerne fastslog, at farvestofferne, og dermed baseparrene, justeret i en 54-graders vinkel i forhold til DNA'ets centrale akse.

"Dette eksperiment giver det mest direkte bevis til dato, der understøtter hypotesen om, at S-DNA indeholder vippede basepar, " sagde Backer. "For at opnå denne fundamentalt nye forståelse af DNA, det var nødvendigt at kombinere en række banebrydende teknologier og bringe forskere fra en række forskellige tekniske discipliner sammen for at arbejde hen imod et fælles mål."

Der er udbredt spekulation blandt videnskabsmænd om, at strukturer, der ligner S-DNA, kan dannes under menneskelige cellers daglige aktiviteter, men, på nuværende tidspunkt, det biologiske formål med S-DNA er stadig ukendt. S-DNA kan lette reparationen af ​​beskadiget eller ødelagt DNA, hjælper med at beskytte mod celledød og kræft. Backer håber, at denne klarere forståelse af de fysiske principper, der styrer DNA-deformation, vil guide yderligere forskning i S-DNA's rolle i celler.

Da Backer kom til Sandia som Truman Fellow i november 2016, han havde mulighed for at starte et uafhængigt forskningsprogram efter eget design. Han havde udviklet en metode til polarisationsmikroskopi under kandidatskolen på Stanford University og mente, at teknikken havde potentiale. Sagde Backer:"Hos Sandia ønskede jeg at skubbe denne teknik så langt, som det kunne gå. Det faktum, at dette arbejde har ført til resultater med potentiel relevans for områder som biologi og nanoteknologi, har været ekstraordinært."