Nanocages letter dramatisk strukturdannelsen af ​​biomolekyler

Makromolekyler folder og folder sig regelmæssigt ud inde i celler. Deres forskellige tredimensionelle strukturer hjælper med at bestemme deres funktioner. At forstå molekylfoldning kan kaste lys over komplekse fysiske processer, der kan påvirke sygdomme, kræft og allergi.

G-quadruplexes er grupper af guanin-nukleinsyrer, 'G'erne i DNA-sekvensen, der danner specifikke former, der ligner futuristiske, tre-etagers kontorbygninger. De blev længe afvist som ikke at have en biologisk funktion, men menes nu at hjælpe med at regulere genekspression, herunder for sygdomme. At forstå de fysiske processer, som disse forbindelser gennemgår, når de foldes ind i ekstra stramme rum, kan en dag hjælpe med at udvikle lægemiddelbehandlinger, der retter sig mod dem.

At udføre eksperimenter for at lære om foldningsprocessen i lukkede områder er ekstremt udfordrende, fordi det er let at forstyrre ikke kun målmolekylet, som kun er et par nanometer lang, men også den omkringliggende infrastruktur, som bare er en brøkdel større.

Et team ledet af Hiroshi Sugiyama og Masayuki Endo fra Kyoto University's Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS), der samarbejder med teamet fra Kent State University designet strukturer og eksperimentelt system, der med succes manipulerer G-quadruplekser inde i nanokager, som også er lavet af DNA. Holdet målte, hvordan rum af forskellig størrelse påvirker den termodynamiske stabilitet og udfoldnings- og foldningskinetik af disse molekyler.

"Under det begrænsede nano-rum, G-quadruplex strukturer afslørede hidtil uset hurtig foldningskinetik med øget mekanisk såvel som termodynamisk stabilitet, som direkte understøttede teoretiske forudsigelser, " konkluderer forskerne i deres undersøgelse offentliggjort for nylig i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

Forskerne byggede rektangelformede nanokager ud af DNA, som de viklede rundt om et G-quadruplex-molekyle. Tethers lavet af endnu mere DNA fastgjorde molekylet til to perler. Perlerne, styret af lasere kendt som optisk pincet, udøvede kraft på molekylet. Dette fik molekylet til at udfolde sig og derefter folde igen. Der var ingen interferens mellem nanocage og målet, fordi de begge har negative ladninger og frastøder hinanden som magneter.

Holdet byggede små, mellemstore og store nanocages. Molekylerne foldede sig ud og genfoldede sig 100 gange hurtigere i de små og mellemstore nanocages sammenlignet med molekyler uden nanocages.

Resultaterne understøtter forudsigelser lavet af andre forskere på området, men dette er den første demonstration uden interaktion mellem molekylet og buret. Forskerne forudser, at metoden kan anvendes til observation af andre biomolekyler såsom proteiner ved hjælp af mere præcist designede nanocages.