Forskere finder en måde at fremskynde DNA-overfladehybridisering

Forskere globalt har til formål at kontrollere kemiske reaktioner - et ambitiøst mål, der kræver at identificere de trin, som de første reaktanter tager for at nå frem til de endelige produkter, når reaktionen finder sted. Mens denne drøm stadig skal realiseres, teknikker til at undersøge kemiske reaktioner er blevet tilstrækkeligt avancerede til at gøre det muligt. Faktisk, kemiske reaktioner kan nu overvåges baseret på ændringen af ​​elektroniske egenskaber af et enkelt molekyle! Takket være scanning tunneling mikroskop (STM), dette er også nemt at opnå. Hvorfor så ikke bruge en enkelt-molekyle tilgang til også at afdække reaktionsveje?

Med dette mål, forskere fra Tokyo Institute of Technology, Japan besluttede at undersøge DNA "hybridisering" (dannelse af et dobbeltstrenget DNA fra to enkeltstrengede DNA) ved at måle ændringerne i enkeltmolekylær elektrisk ledningsevne ved hjælp af en STM. "Enkeltmolekyle undersøgelser kan ofte afsløre nye detaljer om kemiske og biologiske processer, som ikke kan identificeres i en bulksamling af molekyler på grund af gennemsnittet af individuelle molekylers adfærd, " forklarer prof Tomoaki Nishino, hvem var en del af undersøgelsen, for nylig udgivet i Kemisk Videnskab .

Forskerne knyttede et enkeltstrenget DNA (ssDNA) til en STM-spids lavet af guld og brugte en flad guldfilm til at klæbe den komplementære streng på den via en proces kendt som "adsorption". De påførte derefter en forspænding mellem den belagte STM -spids og guldoverfladen og bragte spidsen ekstremt tæt på overfladen uden at røre den (fig. 1). Det her, på tur, tillod en strøm at flyde gennem mellemrummet på grund af en proces kendt som "kvantetunneling". Kemikere overvågede tidsvariationen af ​​denne tunnelstrøm, da DNA-strengene interagerede med hinanden.

Holdet opnåede aktuelle spor, der skildrer plateauområder dannet af stejle skråninger og efterfølgende fald i tunnelstrømmen. Yderligere, disse plateauer blev ikke dannet, når enten guldoverfladen ikke var modificeret med ssDNA eller blev modificeret med en ikke-komplementær streng. Baseret på dette, videnskabsmænd tilskrev plateauerne til dannelsen af ​​et dobbeltstrenget DNA (dsDNA) som følge af hybridisering af ssDNA på STM-spidsen og overfladen. Tilsvarende de tilskrev det bratte fald i strøm til nedbrydning eller "dehybridisering" af dsDNA'et på grund af termisk omrøring.

Holdet undersøgte derefter kinetikken (tidsudvikling af reaktion) af dehybridiserings- og hybridiseringsprocesserne ved hjælp af eksperimentelle resultater og simuleringer af molekylær dynamik. Førstnævnte afslørede en plateauledningsevne uafhængig af DNA-koncentration, bekræfter, at de aktuelle målinger afspejlede enkelt-molekyle konduktans, mens sidstnævnte foreslog dannelsen af ​​et delvist hybridiseret DNA -mellemprodukt, der ikke kunne påvises ud fra konduktans alene.

Interessant nok, hybridiseringseffektiviteten var højere for prøver med høj DNA -koncentration, i modstrid med resultaterne af en tidligere undersøgelse lavet med bulk ssDNA-opløsning. Kemikere tilskrev denne observation til fraværet af bulkdiffusion i deres undersøgelse.

"Denne nye indsigt skulle bidrage til forbedret ydeevne for mange DNA-baserede diagnoser, " bemærker prof Nishino, begejstret for resultaterne, "Ud over, vores metode kan udvides til undersøgelse af intermolekylære kemiske reaktioner mellem en række enkelte molekyler, muliggør en mekanistisk forståelse af kemiske reaktioner samt opdagelse af ny kemisk reaktivitet fra et enkelt-molekyle perspektiv."