Forskere udvikler nanoskala -prober til ssDNA -bæredygtighed under UV -stråling

DNA, som gemmer genetisk information i de fleste organismer på Jorden, ødelægges ikke let. Det absorberer let ultraviolet (UV) stråling, men finder måder at komme sig på.

For at bekæmpe strålingsskader, celler har udviklet DNA -reparationsmekanismer, samt mekanismer til at fjerne energien, før den bryder DNA'et, såsom autoionisering, som er den proces, hvorved makromolekylet i en ophidset tilstand spontant udsender en af ​​dets elektroner, frigiver en enorm mængde energi. At forstå denne mekanisme er afgørende for at undersøge og afbøde virkningerne af stråling på levende organismer.

Et team af forskere fra Lehigh University (Slava V. Rotkin, Tetyana Ignatova, Michael Blades), University of Central Florida (Alexander Balaeff), National Institute of Standards and Technology (Ming Zheng) og en studerende fra University of Rochester, der deltog i det NSF-understøttede "Research Experiences for Undergraduates" (REU) Sommerprogram i Lehigh (Peter Stoeckl) satte sig for at forstå stabiliteten af ​​DNA som bærer af genetisk information mod potentiel skade ved UV -stråling. De har rapporteret deres resultater i et papir, der for nylig blev accepteret til offentliggørelse i Nano Research .

Rotkin og hans kolleger studerede selvsamlede DNA-komplekser, der var viklet omkring enkelt-væg carbon nanorør ved hjælp af en særlig teknik:tofarvet fotoluminescensspektroskopi. Brug af UV og grønt lys samtidigt til at undersøge prøven gav et perspektiv, som ingen havde været i stand til at observere før i enkeltfarvede eksperimenter. Senere, en kvantemekanisk teori blev udviklet til at understøtte de eksperimentelle data, og de kunne bekræfte en meget hurtig DNA -autoioniseringshastighed.

"At kunne fastslå effektiviteten af ​​autoioniseringsprocessen er et vigtigt skridt i forståelsen af, hvordan UV-eksiteret DNA kan 'køle ned' uden at bryde, bevarer dermed sine normale biologiske funktioner, "sagde Rotkin, en professor i Lehighs Institut for Fysik og Institut for Materialevidenskab og Teknik.

Teamets innovative tilgang har et stort potentiale til overvågning af DNA -excitation, autoionisering og kemisk skade vigtig for så forskellige områder som medicin, evolutionær biologi, og udforskning af rummet. Til biomedicinske formål, evnen til at studere autoioniseringsmekanismen kunne bidrage til en forståelse af de overlevende niveauer af UV -stråling for forskellige celletyper og måder at afbøde bestrålingseffekter på. Fra et evolutionært perspektiv, det er vigtigt at forstå de dissipationsmekanismer, der var afgørende under urcelleudvikling, da UV-stråling var størrelsesordener mere intens end i dag, mens DNA-reparationsmekanismerne formodentlig ikke var eksisterende. For fortsat udforskning af rummet, det er vigtigt at udvikle strategier for cellulær og organismenes sikkerhed under barske strålingsforhold.

Det tog forskerne tre år at indsamle data og analysere effekterne. "Vi fandt unormal opførsel af nanorøremissionen:det virkede som om noget" stjal "det udsendte lys under den anden farve UV-belysning, "sagde Rotkin." Dette felt er stadig ekstremt uudforsket. Ingen havde set dette før, og vi måtte hypotesere om tofarvede data i et stykke tid, fremsætte og eksperimentelt afvise forskellige modeller for at finde den rigtige fortolkning. "

Det var først, da de antog, at DNA'et var kilden til det observerede fænomen - og afviste en almindeligt accepteret model - at forskerne var i stand til fuldt ud at forstå nanorør optisk slukning.

DNA er meget nyttigt til at studere nanorør. En DNA -streng viklet omkring et enkelt kulstof -nanorør - en miniature cylindrisk kulstofstruktur, der har et sekskantet grafitgitter og vægge, der kun er et atom tykke - vil holde nanorøret i vand og tillade det at have praktisk talt de samme gode optiske egenskaber som uberørt materiale.

I første omgang, forskerne blev overrasket over at observere ændringer i nanorørets optiske egenskaber, da UV -lyset blev påført prøverne.

"I årevis har det været almindeligt accepteret, at DNA er en 'inert' bærer for nanorør, og at DNA holder nanorøret i vand uden at ændre dets egenskaber, "tilføjede Rotkin." Det tog flere år for vores team at skille sig af med denne almindelige idé, fordi det var så bredt accepteret. Endelig, efter en række yderligere forsøg, dataene tydeligt angav oprindelsen af ​​modulationen til at være selve DNA'et. "

I hælene på denne opdagelse, forskerne har flyttet fokus i deres projekt for at se, hvordan deres tofarvede fotoluminescensspektroskopiteknik kunne bruges til yderligere at undersøge egenskaberne af DNA.

"Det er nu forstået, at forskellige DNA -nukleobaser viser forskellige autoioniseringsegenskaber, "sluttede Rotkin." Vi forventer, at dette vil skabe hidtil usete ikke-invasive biomolekylære værktøjer til løsning af kritiske problemer ved biofysik af nukleinsyrer. "

Undersøgelsen blev finansieret af National Science Foundation (NSF:ECCS) inden for projektet kaldet "Fundamental physics and biosensing applications of composite fluorescent nanomaterials-rare-earths combined with DNA-encosed carbon nanorubes."