DNA-baseret materiale med afstembare egenskaber

Mens DNA ofte idealiseres som "livets molekyle, " det er også en meget sofistikeret polymer, der kan bruges til næste generations materialer. Udover det faktum, at den kan gemme information, yderligere fascinerende aspekter af DNA er dets geometriske og topologiske egenskaber, såsom knude og super-coiling. Ja, meget som en snoet telefonledning, DNA findes ofte oprullet inde i bakterier og andre celler og endda bundet i vira. Nu, et samarbejde mellem forskere fra universiteterne i Edinburgh, San Diego og Wien er begyndt at udnytte disse egenskaber til at fremstille "topologisk tunerbare" DNA-baserede komplekse væsker og bløde materialer med potentielle anvendelser i lægemiddellevering og vævsregenerering som offentliggjort i Videnskabens fremskridt .

Den velkendte dobbeltspiralformede form af DNA har dybtgående konsekvenser for dets adfærd. Et lineært DNA-molekyle, det er et DNA-molekyle med to ender, frit kan dreje og dreje. Derimod at forbinde de to ender for at danne en DNA-cirkel medfører, at enhver over- eller undervridning af dobbelthelixen forbliver "topologisk låst, "dvs. det ekstra twist kan ikke fjernes uden at skære i molekylet. Over- eller underdrejninger har interessante konsekvenser for, hvordan DNA-molekyler arrangerer sig i rummet - især, de spoler og spænder på sig selv meget som en gammel telefonledning til såkaldte supersnoede konformationer (fig. 1). Knækningen af ​​DNA lindrer stress fra over/under vridning, og derved formindsker den samlede størrelse af molekylet. Af denne grund menes det, at supercoiling er en naturlig mekanisme, der anvendes af celler til at pakke deres genom i små rum. Mens den mindre størrelse naturligt fører til hurtigere diffusion af DNA-molekyler i opløsning, f.eks. i vand eller gennem gelporer, på grund af det lavere træk, denne velforståede adfærd forekommer ikke, når mange DNA-molekyler er pakket og viklet ind som spaghetti i en skål.

"Vi har udført computersimuleringer i stor skala af tætte opløsninger af DNA-molekyler med forskellig grad af supercoiling og fundet flere overraskende resultater, " forklarer Jan Smrek fra universitetet i Wien, undersøgelsens første forfatter. "I modsætning til det udvandede tilfælde, jo mere supersnoede DNA-ringene, jo større er deres størrelse." Da molekylerne skal undgå hinanden, deres former vedtager stærkt asymmetriske og forgrenede konformationer, der optager mere volumen end deres ikke-supercoilede modstykker. Spændende nok, og mod forventning, "de større DNA-molekyler giver stadig hurtigere diffusion." Den hurtigere diffusion betyder, at opløsningen har lavere viskositet.

Supercoiled DNA-molekyler, der forekommer naturligt i bakterier, er kendt som plasmider. In vivo, celler har specielle proteiner kaldet topoisomerase, der kan reducere mængden af ​​supercoiling i plasmider. "Takket være disse proteiner - som kan renses og bruges i laboratoriet - er vi i stand til at kontrollere omfanget af supercoiling i sammenfiltrede DNA-plasmider og studere deres dynamik ved hjælp af fluorescerende farvestoffer. Vi var forbløffede over at opdage, at Ja, DNA-plasmider, der blev behandlet med topoisomerase, og dermed med lav supercoiling, er langsommere end deres meget supercoilede modstykker, " forklarer Rae Robertson Anderson, der ledede eksperimenterne ved University of San Diego.

For at forklare den overraskende hurtigere dynamik brugte forskerne simuleringer i stor skala på supercomputere til at kvantificere, hvor indviklede molekylerne i opløsninger er. Mens det er kendt, at en ringformet polymer - snarere ligner et cirkulært DNA-plasmid - kan gevindskæres af en anden ring, hvilket betyder, at sidstnævnte kan trænge gennem øjet på førstnævnte, det var ikke kendt, hvordan denne type sammenfiltring påvirker bevægelsen af ​​supercoiled DNA. Takket være simuleringerne, forskerne fandt ud af, at en høj grad af supercoiling mindsker det gennemtrængelige område af hvert molekyle, hvilket resulterer, på tur, i færre trådninger mellem plasmiderne og i sidste ende giver en opløsning med lavere viskositet. Alligevel, plasmiderne kunne stadig vikle sig om hinanden og begrænse hinandens bevægelser uden at tråde. Endnu, supercoilingen stivner konformationerne og gør dem derved mindre tilbøjelige til at bøje og flette sig tæt, hvilket også reducerer denne form for sammenfiltring.

Davide Michieletto fra University of Edinburgh siger, "Ikke kun fandt vi disse nye effekter i simuleringer, men vi demonstrerede også disse tendenser eksperimentelt og udviklede en teori, der beskriver dem kvantitativt. Ved at ændre supercoilingen kan vi justere viskositeten af ​​disse komplekse væsker efter ønske. Vi forstår nu meget bedre sammenhængen mellem molekylernes adaptive geometri og de resulterende materialeegenskaber. Dette er ikke kun spændende fra det grundlæggende perspektiv, men lover også nyttige applikationer. Ved hjælp af dedikerede enzymer, såsom topoisomerasen, man kan designe omskiftelige DNA-baserede bløde materialer med justerbare egenskaber."