DNA foretrækker at dykke med hovedet først ned i nanoporer

(Phys.org)—I 1960'erne, Nobelpristageren Pierre-Gilles de Gennes postulerede, at forskere en dag kunne teste hans teorier om polymernetværk ved at observere enkelte molekyler. Forskere ved Brown observerede enkelte DNA-molekyler, der blev trukket gennem nanoporer af elektrisk strøm og fandt ud af, hvorfor de oftest rejser med hovedet først.

Hvis du vil forstå en roman, det hjælper at starte fra begyndelsen i stedet for at prøve at samle plottet op fra et sted i midten. Det samme gælder for at analysere en DNA-streng. Den bedste måde at få mening ud af det på er at se på den fra hoved til hale.

Heldigvis, ifølge en ny undersøgelse foretaget af fysikere ved Brown University, DNA-molekyler har en bekvem tendens til at samarbejde.

Forskningen, offentliggjort i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve , ser på dynamikken i, hvordan DNA-molekyler fanges af faststof-nanoporer, små huller, der snart kan hjælpe med at sekvensere DNA med lynets hast. Undersøgelsen viste, at når en DNA-streng fanges og trækkes gennem en nanopore, det er meget mere sandsynligt at starte rejsen ved en af ​​dens ender, frem for at blive grebet et sted i midten og trukket igennem i en sammenfoldet konfiguration.

"Vi mener, at dette er et vigtigt fremskridt for at forstå, hvordan DNA-molekyler interagerer med disse nanoporer, " sagde Derek Stein, assisterende professor i fysik ved Brown, der udførte forskningen med kandidatstuderende Mirna Mihovilivic og Nick Haggerty. "Hvis du vil lave sekventering eller anden analyse, du vil have, at molekylet går gennem porehovedet til hale."

Forskning i DNA-sekventering med nanoporer startede for lidt over 15 år siden. Konceptet er ret simpelt. Et lille hul, et par milliardtedele af en meter på tværs, er stukket i en barriere, der adskiller to pools saltvand. En elektrisk strøm tilføres hen over hullet, som af og til tiltrækker et DNA-molekyle, der flyder i vandet. Når det sker, molekylet piskes gennem poren på en brøkdel af et sekund. Forskere kan derefter bruge sensorer på poren eller andre midler til at identificere nukleotidbaser, byggestenene i den genetiske kode.

Teknologien udvikler sig hurtigt, og de første nanopore-sekventeringsenheder forventes at være på markedet meget snart. Men der er stadig grundlæggende spørgsmål om, hvordan molekyler opfører sig i det øjeblik, de bliver fanget og før.

"Hvad molekylerne lavede, før de blev fanget, var et mysterium og et spørgsmål om spekulation, " sagde Stein. "Og vi vil gerne vide det, for hvis du prøver at konstruere noget til at kontrollere det molekyle - for at få det til at gøre, hvad du vil have det til at gøre - skal du vide, hvad det går ud på."

For at finde ud af, hvad disse molekyler har gang i, forskerne fulgte nøje over 1, 000 tilfælde af et molekyle, der glider gennem en nanopore. Den elektriske strøm gennem poren giver et signal om, hvordan molekylet gik igennem. Molekyler, der går gennem midten, skal først foldes over for at passere. Den foldede konfiguration optager mere plads i poren og blokerer mere af strømmen. Så ved at se på forskelle i den nuværende, Stein og hans team kunne tælle, hvor mange molekyler der gik gennem hovedet først, og hvor mange der startede et sted i midten.

Undersøgelsen viste, at molekyler er flere gange mere tilbøjelige til at blive fanget ved eller meget nær en ende end på noget andet enkelt punkt langs molekylet.

"Det, vi fandt, var, at ender er specielle steder, " sagde Stein. "Midten er anderledes end en ende, og det har en konsekvens for sandsynligheden for, at et molekyle starter sin rejse fra slutningen eller midten."

Altid plads til Jell-O

Det viser sig, der er en gammel teori, der forklarer disse nye eksperimentelle resultater ganske godt. Det er teorien om Jell-O.

Jell-O er et polymernetværk - en masse snoede polymertråde, der knytter sig til hinanden ved tilfældige kryds. De snoede tråde er grunden til, at Jell-O er en jiggly, halvfast. Den måde, hvorpå polymerstrengene forbindes til hinanden, er ikke ulig den måde, hvorpå en DNA-streng forbindes til en nanopore i det øjeblik, den fanges. I vand, DNA-molekyler er blandet sammen i tilfældige kruseduller ligesom gelatinemolekylerne i Jell-O.

"Der er en eller anden stærk teori, der beskriver, hvor mange måder polymererne i Jell-O kan arrangere og vedhæfte sig selv på, " sagde Stein. "Det viser sig at være perfekt anvendeligt til problemet med, hvor disse DNA-molekyler bliver fanget af en nanopore."

Når det påføres DNA, Jell-O-teorien forudsiger, at hvis du skulle tælle alle de mulige konfigurationer af en DNA-streng op i fangstøjeblikket, du vil opdage, at der er flere konfigurationer, hvor det er fanget ved sin ende, sammenlignet med andre punkter langs stranden. Det er lidt ligesom oddsene for at få et par i poker sammenlignet med oddsene for at få tre ens. Du er mere tilbøjelig til at få et par, blot fordi der er flere par i bunken, end der er tripler.

Denne måling af alle mulige konfigurationer - et mål for det, fysikere omtaler som molekylets entropi - er alt, hvad der er nødvendigt for at forklare, hvorfor DNA har en tendens til at gå hovedet først. Nogle videnskabsmænd havde spekuleret i, at det måske ville være mindre sandsynligt, at tråde ville gå igennem i midten, fordi det ville kræve ekstra energi at folde dem på midten. Men den foldningsenergi har tilsyneladende ingen betydning. Som Stein udtrykker det, "Antallet af måder, hvorpå et molekyle kan finde sig selv med hovedet stikker ind i poren, er simpelthen større end antallet af måder, det kan finde sig selv med, at midten rører ved poren."

Disse teorier om polymernetværk har faktisk eksisteret i et stykke tid. De blev først foreslået af den afdøde nobelpristager Pierre-Gilles de Gennes i 1960'erne, og Bertrand Duplantier gjorde vigtige fremskridt i 1980'erne. Mihovilivic, Steins kandidatstuderende og hovedforfatteren af ​​denne undersøgelse, siger, at dette faktisk er en af ​​de første laboratorietest af disse teorier.

"De kunne ikke testes før nu, når vi rent faktisk kan lave enkeltmolekylemålinger, " sagde hun. "[De Gennes] postulerede, at det en dag ville være muligt at teste dette. Jeg tror, ​​han ville have været meget spændt på at se det ske."