Polymerpassage tager tid:Ny teori hjælper forskere med at studere DNA, protein transport

(PhysOrg.com) -- Polymerstrenge snirkler sig vej gennem nanometerstore porer i en membran for at komme herfra til der og udføre deres arbejde. Ny teoretisk forskning fra Rice University-forskere kvantificerer præcist, hvor lang tid rejsen tager.

Det er en god ting at vide for forskere, der studerer transporten af ​​RNA, DNA og proteiner - som alle tæller som polymerer - eller dem, der udvikler membraner til brug i biosensorer eller som lægemiddelleveringsenheder.

Forskere ledet af Anatoly Kolomeisky, en lektor i kemi og i kemisk og biomolekylær teknik, har fundet frem til en teoretisk metode til at beregne den tid, det tager for langkædede polymerer at translokere gennem kanaler i nanostørrelse i membraner, som den, der adskiller en celles kerne fra omgivende cytoplasma. RNA-molekyler skal foretage denne intracellulære tur, ligesom proteiner, der passerer gennem en celles ydre membran for at udføre opgaver i kroppen.

Primær forfatter Kolomeisky rapporterede resultaterne denne måned i Journal of Chemical Physics . Studiets medforfattere inkluderer Aruna Mohan, en tidligere postdoc-forsker ved Rice og nu forsker ved Exxon-Mobil, og Matteo Pasquali, professor i kemisk og biomolekylær teknik og kemi.

Holdet studerede translokationen af ​​et langt polymermolekyle, som nogenlunde ligner perler på en snor, gennem to typer nanopore-geometrier:en cylinder og en to-cylindret komposit, der lignede et stort rør forbundet med et lille rør. Ikke overraskende, de fandt, at en polymer passerede hurtigere, når den kom ind i kompositten gennem den brede ende.

"Vi antager, at polymeren er relativt stor i forhold til porestørrelsen, hvilket er realistisk, " Kolomeisky sagde om processen, hvilket svarer til at føre et reb gennem et kighul. "En typisk DNA-streng kunne være tusind nanometer lang, og poren kunne have en længde på nogle få nanometer."

Det har været kendt i nogen tid, at polymerer ikke bare flyver gennem en pore, selv når de finder åbningen. De starter. De stopper. De starter igen. Og når først den forreste ende er gået ind i en pore, den kan bakke ud. Polymerer ryster ofte frem og tilbage, når de bevæger sig gennem en pore, konstant omkonfigurere sig selv.

"Tidligere teoretikere troede, at så snart den førende ende nåede kanalen, hele polymeren ville gå igennem, " sagde han. "Vi siger, at det går frem og tilbage mange gange, før det endelig går over."

Nøglen til en nøjagtig beskrivelse af polymertranslokation med enkeltmolekyle præcision er måling af elektriske strømme, der går gennem poren. "Når strømmen er høj, der er ingen polymer i kanalen. Når strømmen er nede, det er i poren og blokerer fluxen, " han sagde.

Eksperimenter viser, at typiske DNA- og RNA-molekyler kan passere gennem en membran på få millisekunder, afhængig af styrken af ​​det elektriske felt, der driver dem. Men selv det, han sagde, er meget længere, end forskere tidligere troede.

Kolomeisky sagde, at den nye metode virker for porer af enhver geometri, om de er lige, koniske eller lavet af sammenføjede cylindre af forskellig størrelse, ligesom den biologiske hæmolysinkanal, de simulerede i deres forskning.

Beregningerne gælder både for naturlige eller kunstige porer, hvilket han sagde ville være vigtigt for forskere, der fremstiller membraner til medicinafgivelse, biosensorer eller vandrensningsprocesser, eller forske i nye metoder til sekventering af DNA.