Superopløsningssystem afslører mekanikken i den lille DNA-walker

Forskere har introduceret en ny type "super-resolution" mikroskopi og brugt den til at opdage den præcise gangmekanisme bag små strukturer lavet af DNA, der kunne finde biomedicinske og industrielle anvendelser.

Forskerne demonstrerede også, hvordan "DNA walker" er i stand til at frigive et lægemiddel mod kræft, repræsenterer en potentiel ny biomedicinsk teknologi, sagde Jong Hyun Choi, en lektor i maskinteknik ved Purdue University.

Syntetiske nanomotorer og rollatorer er indviklet designede systemer, der trækker kemisk energi fra miljøet og omdanner den til mekanisk bevægelse. Imidlertid, fordi de er for små til at kunne observeres ved hjælp af konventionelle lysmikroskoper, forskere har ikke været i stand til at lære de præcise trin involveret i gangmekanismerne, viden afgørende for at perfektionere teknologien.

"Hvis du ikke kan løse eller overvåge disse vandrere i aktion, du vil ikke være i stand til at forstå deres mekaniske funktion, " sagde Choi.

Han ledede et Purdue-hold, der har løst dette problem ved at udvikle et superopløsningsmikroskopisystem designet til at studere DNA-vandrere. De nye resultater dukkede op i journalen Videnskabens fremskridt den 20. januar.

Forskere over hele verden skaber syntetiske motorer baseret på DNA og RNA, de genetiske materialer i celler, der består af en sekvens af fire kemiske baser:adenin, guanin, cytosin og thymin. Designene er inspireret af naturlige biologiske motorer, der har udviklet sig til at udføre specifikke opgaver, der er kritiske for cellernes funktion.

Purdue-forskerne har designet et DNA-gangsystem bestående af en enzymatisk kerne og to arme. Rollatoren rejser langs et kulstof-nanorør-spor "dekoreret" med RNA-strenge. Den enzymatiske kerne spalter segmenter af disse RNA-strenge, når rollatoren konstant bevæger sig fremad, binding til og høst af energi fra RNA. Rollatoren bevæger sig i en seks-trins cyklus, der gentages, så længe der er RNA-brændstof.

En fluorescerende nanopartikel er knyttet til den ene arm af DNA-walkeren, får det til at lyse, når det udsættes for lys i den synlige del af spektret. Kulstof-nanorør-sporet fluorescerer også, når det udsættes for lys i en del af det nær-infrarøde spektrum. Fordi det nye superopløsningsmikroskopisystem fungerer i både det synlige og nær-infrarøde spektre, det er muligt at spore gangmekanismen.

Superopløsningsteknologien gør det muligt for forskere at løse strukturelle træk, der er langt mindre end bølgelængden af ​​synligt lys, hvilket normalt er svært ved at bruge konventionelle mikroskoper på grund af Abbe-diffraktionsgrænsen, etableret af fysiker Ernst Abbe i 1873. Grænsen er omkring 250 nanometer, som er stor sammenlignet med de små vandrere, måler omkring 5 nanometer lang.

Da DNA-walkeren udsættes for laserlys, nanopartiklerne og nanorøret tænder og slukker tilfældigt. Disse blink er fanget som talrige fluorescerende prikker i tusindvis af billedrammer. Denne samling af punkter bruges derefter til at rekonstruere rollatorens præcise bevægelse, som bevæger sig i en seks-trins cyklus, der involverer spaltning af dele af RNA-strengen og høster dens energi, før den går videre til den næste streng.

Resultater afslørede tre primære trin dominerer denne gangmekanisme.

"Så, hvis du kan kontrollere disse tre trin i denne gangcyklus, kan du virkelig studere og bedre kontrollere disse vandrere, " sagde Choi. "Du kan fremskynde dem, du kan få dem til at stoppe og bevæge sig i forskellige retninger."

Mens det tidligere ville have taget 20 timer eller længere at studere en komplet gangcyklus, den nye tilgang fremskynder processen til ca. et minut.