Gør DNA -smeltekurven mere præcis

DNA er ikke kun livets plan, det er blevet rygraden til at lave bittesmå strukturer, der kan indsættes i menneskekroppen for at diagnosticere og behandle sygdom. I særdeleshed, forskere sætter deres blik på en teknik kendt som DNA origami, hvor de omhyggeligt samler hundredvis af DNA -strenge til at bygge en lilliputisk samling af strukturer, der kan omfatte lægemiddelbeholdere, biosensorer og andre biokompatible enheder.

I bestræbelser, der lover at dramatisk forbedre denne proces, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har nu fundet en måde til væsentligt at forbedre nøjagtigheden af ​​vigtige oplysninger om, hvordan varme påvirker stabiliteten af ​​foldede DNA -strukturer.

For at fungere pålideligt, disse strukturer, kun få titalls nanometer (milliarddeler af en meter) i længden, skal omhyggeligt formes i rækkefølge, for eksempel, at levere medicin til bestemte mål. Men kræfterne-brintbindinger-der binder stykker DNA sammen for at danne den velkendte dobbelthelix afhænger af både temperatur og deres lokale miljø.

For at bestemme, hvordan forskellige DNA -tråde reagerer på ændringer i temperaturen, forskere stoler på en række målinger, der danner en graf kendt som DNA -smeltekurven. Kurven afslører, for eksempel, temperaturen, ved hvilken halvdelen af ​​tråden er "smeltet, "eller unraveled. Det viser også mængden af ​​varme, strengene skal absorbere for at hæve deres temperatur med en grad C. Ved at afsløre disse og andre termiske egenskaber af strengene, kurven giver forskere viden om at designe holdbare, mere komplekse strukturer lavet af DNA.

Så vigtig som DNA -smeltekurven er, der er stadig et mangeårigt problem med at måle det nøjagtigt. På grund af baggrundseffekter og ukendte kilder til variation, snesevis af identiske DNA -prøver vil have forskellige smeltekurver, begrænser forskernes evne til at udtrække meningsfuld information.

NIST -forskerne har designet en ny matematisk algoritme, der automatisk tegner sig for disse ukendte effekter, giver forskere mulighed for at høste de fulde fordele ved smeltekurven.

Som forskere, der har undersøgt flere måder at perfektionere DNA origami, NIST -forskere Jacob Majikes og Alex Liddle var alt for bekendte med de unøjagtigheder, der plager DNA -smeltekurven. I princippet, hvis de og andre forskere præcist kunne gengive alle de laboratorieforhold, under hvilke de målte kurven, usikkerheden kan reduceres.

Men i betragtning af de små mængder DNA i forsøgene - ikke større end en vanddråbe - var det svært at gøre i praksis. Så Majikes og Liddle nåede ud til en NIST -matematiker, Anthony Kearsley, og hans samarbejdspartner, NIST -fysiker Paul Patrone, i håbet om at finde en matematisk løsning.

For Kearsley og Patrone, udfordringen var uimodståelig:Den sande DNA -smeltekurve var skjult i hvert sæt målinger; udfordringen var at finde en måde at afsløre det på. Ingen kendt matematisk teori beskriver fuldstændigt smeltekurven, så forskerne måtte finde ud af en måde at fjerne usikkerhederne i smeltekurven ved hjælp af eksperimentelle data alene. Med så lidt information, det betød, at de skulle være kreative.

I søgen efter en algoritme, der ville løse dette problem, teamet erkendte, at forvrængningerne til de sande DNA -smeltekurver opførte sig ligetil. Det er, forvrængningerne lignede en særlig slags funhouse spejl - et, der bevarede den relative afstand mellem datapunkter, selvom det trak sig sammen eller udvidede kurven, og det tillod parallelle linjer at forblive parallelle. For at forsøge at korrigere disse effekter, forskerne anvendte et matematisk værktøj kendt som en affin transformation.

Kearsley og Patrone ledte efter en bestemt affin transformation - en der fik hvert datasæt til at passe til alle de andre, så de i det væsentlige ville se ens ud. Men for at finde den transformation, ved hjælp af en teknik kendt som begrænset optimering, forskerne måtte træde væk fra tavlen og fordybe sig i mekanikken i DNA -laboratoriet.

Hverken Kearsley eller Patrone havde engang hørt om DNA origami, endsige de målinger, der kræves for at samle smeltekurven. De stillede snesevis af spørgsmål om hver komponent i nanoskalaeksperimentet, afgøre, hvilke dele der var vigtige at modellere, og hvilke der var irrelevante. Efter uger med teoretiske beregninger, Patrone fik sin første chance for at se selve eksperimentet. Han betragtede overrasket laboratorieopstillingen, med sin 8x12 række af 96 små brønde, hver indeholdende nøjagtig den samme sekvens af DNA, hvorfra Majikes og Liddle havde registreret 96 forskellige DNA -smeltekurver.

Bevæbnet med mere end nok laboratoriedata, Kearsley og Patrone uddybede det optimeringsproblem, de mente ville fungere bedst for at fjerne fejlene. Derefter anvendte de algoritmen på hver af de 96 kurver og så, hvad der skete.

På en computerskærm, mængden af ​​kurver, forvrænget på forskellige måder, blev umulig at skelne, hver sporer den samme form, højde og endepunkter. De 96 kurver var faldet sammen for at blive til en enkelt DNA -smeltekurve.

"Vi var overbeviste om, at vi havde løst problemet, "sagde Kearsley. Forskerne rapporterer deres fund i bind 607 af Analytisk biokemi .

Forskere har brugt DNA-origami til at fremstille nanorobotter, der udfører databehandlinger og forprogrammerede opgaver inde i levende organismer. De har også påberåbt sig DNA -origami til at skabe miniaturebeholdere til lægemiddellevering, der kun åbnes, når de identificerer og vedhæfter inficerede celler.

Teamet spreder nu budskabet om succesen med deres løsning, advarer forskere, der udfører DNA origami om, at det er muligt nøjagtigt at måle smeltekurven og styre væksten af ​​DNA origami strukturer. Lige så vigtigt, sagde Patrone, den samme teknik kunne anvendes på andre biofysiske problemer, hvor de sande data er skjult af lignende typer fejl. Forskerne studerer, hvordan man kan forbedre nøjagtigheden af ​​forsøg, hvor menneskelige celler flyder gennem små kræftjagtdetektorer.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.