Nyudviklet model af DNA kaster lys over molekylers fleksibilitet

Viden om, hvordan DNA folder og bøjer kan give et nyt perspektiv på, hvordan det håndteres i celler, samtidig med at det hjælper med design af DNA-baserede enheder i nanoskala, siger en biomedicinsk ingeniør ved Texas A&M University, hvis nye bevægelsesbaserede analyse af DNA giver en nøjagtig repræsentation af molekylets fleksibilitet.

Modellen, som kaster nyt lys over DNA's fysiske egenskaber, blev udviklet af Wonmuk Hwang, lektor ved universitetets Institut for Biomedicinsk Teknik, og hans ph.d. studerende Xiaojing Teng. Hwang bruger computersimulering og teoretisk analyse til at studere biomolekyler såsom DNA, der udfører væsentlige funktioner i den menneskelige krop. Hans seneste model, som giver en bevægelsesbaseret analyse af DNA er detaljeret i det videnskabelige tidsskrift ACS Nano .

Ud over at rumme den genetiske information, der er nødvendig for at opbygge og vedligeholde en organisme, DNA har nogle utroligt interessante fysiske egenskaber, der gør det ideelt til konstruktion af nanoenheder, Hwang bemærker. For eksempel, DNA'et indeholdt i kernen af ​​en menneskelig celle kan strække sig til fire fod, når det strækkes ud, men takket være en række folder, bøjninger og snoninger, det forbliver i et rum, der ikke er større end en mikron – en brøkdel af bredden af ​​et menneskehår. DNA er også i stand til at blive programmeret til selvmontering og adskillelse, gør den anvendelig til at bygge nano-mekaniske enheder.

At forstå dets unikke fysiske egenskaber er nøglen til at frigøre DNA's potentiale som et byggeværktøj, men tidligere undersøgelser, Hwang bemærker, har givet begrænset information om DNA-fleksibilitet. Dette skyldes i høj grad deres afhængighed af statiske strukturelle modeller af molekylet, siger Hwang. I modsætning til disse undersøgelser, Hwangs model inkorporerer en atomistisk simulering, så den iboende termiske bevægelse af DNA kan analyseres. Hwang og hans team er derefter i stand til at måle, hvordan DNA-strengen deformeres under denne bevægelse.

Nøglebegrebet i analysen, Hwang forklarer, er kendt som 'hovedakse, ' som grundlæggende angiver, hvor en stang lettest kan bøje sig, eller hvor den er stivst. For eksempel, en lineal kan lettest bøje nær dens flade side, mens den er sværest at bøje nær dens tynde kant, han siger. Lignende adfærd kan ses for DNA. Denne bevægelsesbaserede analyse, Hwang siger, har allerede resulteret i nogle nøglefund og biologiske indsigter om DNA.

For eksempel, en DNA dobbelt helix kæde, Hwang bemærker, kan have varierende fleksibilitet baseret på, hvordan sekvenserne af nukleotider på kæden er organiseret. Hvad mere er, Hwangs model afslørede DNA, der reagerer på specifikke måder på fysiske kræfter - enten vridning eller bøjning. Denne reaktion kan ses, når proteiner binder til DNA, Hwang forklarer. Når proteiner binder uden store energiomkostninger, har de en tendens til at sno DNA, men højenergibinding resulterer i mere af en bøjning af DNA, siger Hwang.

Disse små reaktioner, Hwang bemærker, kan have store konsekvenser, især når det kommer til at bruge DNA som molekylære byggesten til nanoenheder såsom lægemiddelleveringssystemer og kredsløb i plasmoniske enheder. At bygge utroligt små, men avancerede enheder er et hovedmål for nanoteknologi, og at gøre det med DNA er ikke så langt ude, som det lyder. Gennem de sidste par år, forskere har brugt det genetiske materiale til at bygge en række konstruktioner i nanostørrelse, forme den til forskellige tredimensionelle former såsom kasser, der kan åbne og lukke. Processen, kendt som DNA origami, er stadig i sin relative vorden, men oplysningerne fra Hwangs model kunne hjælpe forskere med at bygge mere avancerede konstruktioner.

"At køre bil er én ting, men at bygge det er en anden; du drejer nøglen og træder på gaspedalen, og bilen bevæger sig – du kan bruge den uden at skulle vide, hvad der sker inde i bilen, " siger Hwang. "Men for virkelig at konstruere en bedre bil, du skal have viden om dens komponenters egenskaber og hvordan de er sat sammen. Det samme gælder om DNA, da det fortsætter med at blive brugt til at bygge disse nanostrukturer, og vi leverer et mekanisk spec-ark til det gennem vores analyse."