DNA-helicitet og elasticitet forklaret på nanoskalaen

En simpel mekanisk model til effektivt at implementere den velkendte dobbeltstrengede struktur og elasticiteten af ​​DNA på en nanometerskala er blevet udviklet af Jae-Hyung Jeon og Wokyung Sung fra Pohang University of Science and Technology i Republikken Korea, i et forsøg på mere omfattende at udforske det nukleinsyreholdige genetiske materiale i celler. Modellen blev offentliggjort i Springer's Journal of Biological Physics .

Lige siden Watson og Crick første gang beskrev den grundlæggende struktur af DNA i 1953, der er udviklet en række kvantekemiske beregninger til at beskrive det på atomistisk skala eller niveau med små molekyler. Indtil nu, imidlertid, disse har vist sig at være for beregningskrævende eller analytisk uigennemførlige til tilstrækkeligt at beskrive den nanoskala DNA-konformation og mekanik, der er undersøgt af moderne enkeltmolekyleeksperimenter. På mikron skalaer, på den anden side, den ormlignende kædemodel har været medvirkende til analytisk at beskrive DNA-mekanik og elasticitet. Den mangler dog visse molekylære detaljer, som er væsentlige for at beskrive hybridiseringen, nanoskala indespærring, og lokal denaturering eller strukturelle ændringer i DNA forårsaget af ekstreme forhold.

For at udfylde dette grundlæggende hul, de koreanske forskere gik i gang med at udvikle en brugbar og forudsigelig mesoskopisk model af dobbeltstrenget DNA, hvor nukleotidperlerne udgør de grundlæggende frihedsgrader.

Ved at bruge modellen, de koreanske forskere undersøgte, hvordan en DNA-dupleks samler sig selv i helixstrukturen på grund af stablingsinteraktionen modelleret ved interaktion mellem diagonalt modsatte baser, og også hvordan helixen deformeres mod strækkraften i sammenligning med relaterede enkeltmolekyleeksperimenter. De fandt ud af, at en overstrækkende overgang med kraftplateauet, som vist i typiske kraftforlængelseseksperimenter, kan induceres af sameksistensen af ​​helix- og stigestrukturer ved en kritisk kraft tæt på den eksperimentelle værdi. Dette plateau opstår på grund af overgangen mellem den spiralformede tilstand og stigelignende tilstand af DNA.

Forskningsduoen viste også analytisk, hvordan en orme-kædelignende elastisk model, ofte brugt i DNA-mekanik, kan udledes ved at bruge deres nye model. Det bruges til at forklare bøjnings- og snoningsstivheden i form af grundlæggende interaktioner i deres model og DNA geometriske konstanter, i rimelig overensstemmelse med tilsvarende eksperimentelle værdier.

"Denne grundlæggende model og dens udvidelse, bruges sammen med yderligere analytiske beregninger og numeriske simuleringer, giver nye muligheder for at studere en række forskellige DNA-fænomener fra nano til mikron længde skalaer, " skriver Jeon og Sung. "Det kan, for eksempel, bruges til at studere virkningerne af sekvensheterogenitet, ioniske opløsninger, og vridningsbegrænsninger på mekanik og, desuden, forskellige fænomener såsom lokal DNA-denaturering og protein-DNA-interaktion."