Spor af DNA eksponeret af snoet lys

Strukturer, der sætter et spin på lys, afslører små mængder DNA med 50 gange bedre følsomhed end de bedste nuværende metoder, et samarbejde mellem University of Michigan og Jiangnan University i Kina har vist.

Meget følsom påvisning af DNA kan hjælpe med at diagnosticere patienter, løse forbrydelser og identificere oprindelsen af ​​biologiske forurenende stoffer såsom et patogen i en vandforsyning.

"Det er virkelig lige meget, hvor mål-DNA'et er fra, sagde Nicholas Kotov, Joseph B. og Florence V. Cejka professor i kemiteknik ved U-M. "For at påvise et specifikt DNA, vi skal bare kende en lille del af dens rækkefølge."

Nuværende DNA-analysemetoder er afhængige af kopiering af segmenter af en DNA-streng. Processen udpakker den dobbelte helix og forkorter derefter, laboratoriefremstillede 'primer' DNA-strenge hæfter til hver halvdel af det originale DNA. Disse primere kickstarter kopieringsprocessen, ved at bruge det udpakkede DNA som skabelon. Målrettede segmenter af DNA kan replikeres på denne måde, fordobling hver cyklus. Hvis der produceres nok DNA, før kopieringsfejl bliver et stort problem, så kan yderligere analyse vise, om prøven matcher en mistænkt, for eksempel.

Men hvis primerne var meget selektive for den mistænkte DNA-sekvens, så kunne et match bestemmes ved blot at opdage, om DNA'et havde kopieret eller ej. Undersøgelser afslørede, at små mængder DNA kunne observeres, når sfæriske guldnanopartikler blev knyttet til primerne. Hvis DNA'et matchede mistanken, strenge af partikler bundet sammen med DNA ville dannes i replikationsprocessen. Nanopartikelopløsningen ville ændre farve fra rød til blå, på grund af den måde, partikelstrengene interagerer med lys.

"Imponerende detektionsgrænser blev opnået for korte DNA'er med nanopartikler; dog, ikke længe DNA, " sagde Kotov.

Problemet, forklarede han, er, at hvis partiklerne er længere fra hinanden end nogle få nanometer, eller milliontedele af en millimeter, "de interagerer ikke stærkt, og den blå farve sker ikke." Længere tråde er nødvendige for at skelne mellem arter og individer med større nøjagtighed.

"Hvis trådene er for korte, du kan blande DNA'et fra en morder med det fra en vens hund - eller en signatur på ondartet mavekræft med stykket af en kyllingeburrito, " sagde Kotov.

Han og hans partner Chuanlai Xu, en professor i fødevarevidenskab og -teknologi ved Jiangnan University i Kina, førte til et forsøg på at se, om en mere subtil optisk ændring ville holde til længere afstande.

I stedet for at bruge sfæriske nanopartikler, holdet startede med nanorods, formet som små Mike og Ike slik, omkring 62 nanometer lang og 22 nanometer i diameter. De fastgjorde primer-DNA'et til siderne af disse.

Når nanorods står i kø, de er tilbøjelige til at justere med omkring 10 grader. Efter et par omgange med kopiering, guld- og DNA-strukturerne lignede snoede rebstiger. Lys, der passerer gennem spiralen af ​​gyldne eger, reagerede ved at rotere.

"Lyset kan roteres, selv når nanoroderne er langt væk fra hinanden, " sagde Kotov. "Dette giver vores metoder en enorm fordel i følsomhed for lange DNA-strenge."

Rotationen sker, fordi lys er sammensat af elektriske og magnetiske bølger, der bevæger sig i tandem, og elektriske og magnetiske felter udøver kræfter på ladede partikler, der har frihed til at bevæge sig, såsom elektroner i metaller. Elektronerne i guld reagerer meget godt på frekvensen af ​​synlige lysbølger, så de begynder at bevæge sig frem og tilbage i guldet, synkroniseret med lyset. Denne effekt er en tovejs gade:de bevægelige elektroner i guldet kan også påvirke lysbølgerne.

Kotov sammenligner lyset med et reb med krusninger, der løber igennem det.

"Forestil dig nu, at luften omkring rebet lettere kan bevæge sig i bestemte retninger, " sagde Kotov.

For lys der passerer gennem guld nanorods, det er nemmest, hvis den elektriske bølge bevæger sig op og ned i længden af ​​nanoroderne, så lyset roterer, når det bevæger sig fra nanorod til nanorod og fortsætter med at vride sig, efter at det forlader strukturen. Og alt efter om lyset starter med at rotere med eller mod uret, den mærker vridningen fra nanoroderne mest ved forskellige bølgelængder.

"Til analytiske formål, Dette er en gave, " sagde Kotov.

De to toppe i mængden af ​​vridning for lys med uret og mod uret kan lægges sammen, hvilket giver et stærkere signal og gør det muligt for metoden at identificere et match med mindre mængder DNA.

"Styrken af ​​rotationen når maksimum, når afstanden mellem nanorods er 20 nanometer, hvilket er præcis, hvad vi har brug for til påvisning af lange, selektive og artsspecifikke DNA-strenge, " sagde Kotov. "De fremlagte beregninger viser, at vi potentielt kan øge følsomheden endnu mere i fremtiden og til endnu længere DNA'er."