Opladet grafen giver DNA en scene til at udføre molekylær gymnastik

(Phys.org) – Da Illinois-forskere satte sig for at undersøge en metode til at kontrollere, hvordan DNA bevæger sig gennem en lillebitte sekventeringsenhed, de vidste ikke, at de var ved at være vidne til en opvisning i molekylær gymnastik.

Hurtig, nøjagtig og overkommelig DNA-sekventering er det første skridt mod personlig medicin. At føre et DNA-molekyle gennem et lille hul, kaldet en nanopore, i et ark grafen giver forskere mulighed for at læse DNA-sekvensen; imidlertid, de har begrænset kontrol over, hvor hurtigt DNA'et bevæger sig gennem poren. I en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , University of Illinois fysikprofessor Aleksei Aksimentiev og kandidatstuderende Manish Shankla påførte en elektrisk ladning på grafenarket, i håb om, at DNA'et ville reagere på ladningen på en måde, der ville lade dem styre dens bevægelse ned til hvert enkelt led, eller nukleotid, i DNA-kæden.

"Ideelt set du ønsker at træde DNA'et gennem nanoporen et nukleotid ad gangen, " sagde Aksimentiev. "Tag en måling, og hav så endnu et nukleotid i sansehullet. Det er målet, og det er ikke blevet realiseret endnu. Vi viser, at til en vis grad, vi kan styre processen ved at oplade grafen."

Forskerne fandt ud af, at en positiv ladning i grafen fremskynder DNA-bevægelsen gennem nanoporen, mens en negativ ladning stopper DNA'et i dets spor. Imidlertid, mens de så på, DNA'et syntes at danse hen over grafenoverfladen, piruet ind i figurer, de aldrig havde set, specifik for sekvensen af ​​DNA-nukleotiderne.

"Det minder mig om Svanesøen, " sagde Aksimentiev. "Det er meget akrobatisk. Vi var meget overraskede over de mange forskellige DNA-konformationer, som vi kan observere på overfladen af ​​grafen, når vi oplader det. Der er en sekvens, der starter med at lægge sig ned på overfladen, og når vi ændrer afgiften, de vipper alle på siden, som om de laver en enarmet push-up. Så har vi også nukleotider, der ville ligge tilbage, eller gå op som en ballerina en pointe."

Se en videoanimation af DNA-dans, mens grafenladningen ændres:

Aksimentiev antager, at konformationerne er så forskellige og så specifikke for sekvensen, fordi hvert nukleotid har en lidt anderledes fordeling af elektroner, de negativt ladede dele af atomerne. Der er endda en synlig forskel, når et nukleotid er methyleret, en lillebitte kemisk ændring, der kan tænde eller slukke for et gen.

Ved at skifte ladningen i grafen, forskerne kan ikke kun kontrollere DNA'ets bevægelse gennem poren, men også den form, DNA'et forvredes til.

"Fordi det er reversibelt, vi kan tvinge den til at antage én form og derefter tvinge den til at gå tilbage. Det er derfor, vi kalder det gymnastik, " sagde Aksimentiev.

Forskerne brugte i vid udstrækning Blue Waters supercomputer på National Center for Supercomputing Applications, til huse på University of Illinois. De kortlagde hvert enkelt atom i det komplekse DNA-molekyle og kørte adskillige simuleringer af mange forskellige DNA-sekvenser. Supercomputerkraft var afgørende for at udføre arbejdet, sagde Aksimentiev.

"Dette er et virkelig beregningsintensivt projekt, " sagde han. "At have adgang til Blue Waters var afgørende, fordi med det store antal simuleringer, vi ville ikke have været i stand til at afslutte dem. Det ville have taget for lang tid."

Det næste trin er at kombinere en ladet nanopore-opsætning med en sensor for at bygge en DNA-sekventeringsenhed, der ville inkorporere både bevægelseskontrol og nukleotidgenkendelse. Forskerne håber også at udforske de uventede konformationelle ændringer for at få indsigt i epigenetik, feltet, der studerer, hvordan gener udtrykkes og modereres.

"DNA er meget mere kompliceret end blot en dobbelt helix. Det er et komplekst molekyle, der har mange egenskaber, og vi afslører dem stadig, " sagde Aksimentiev.