Avanceret billedbehandlingsteknik kaster lys over, hvordan DNA-strenge stables op

I en ny undersøgelse har forskere ved Institut for Biokemi, Indian Institute of Science (IISc), brugt en ny billedbehandlingsteknik til at finde ud af, hvor stærkt tilstødende baser - DNA'ets byggesten - stables oven på hinanden i en enkelt streng . Resultaterne åbner op for muligheder for at bygge komplekse DNA-nanoenheder og optrevle fundamentale aspekter af DNA-struktur.

Bag den sømløse drift af hver levende celle ligger DNA - det arvelige vehikel, der bærer information om dets vækst, funktion og reproduktion. Hver DNA-streng består normalt af fire nukleotidbaser - adenin (A), guanin (G), thymin (T) og cytosin (C). Baserne på en streng parres med dem på den modsatte streng for at danne det dobbeltstrengede DNA (A parrer med T og G parrer med C).

To typer interaktioner stabiliserer DNA's dobbelthelixstruktur. Baseparring - interaktion mellem baser på modsatte strenge - er mere kendt, hvorimod base-stabling - interaktion mellem baser i samme streng - ikke er særlig godt undersøgt. Forestil dig en lynlås, hvor base-parring er som lynlåsen, der holder de to tråde sammen, mens base-stabling fungerer som lynlåsens tænder, hvilket sikrer en tæt og sikker forbindelse.

Base-stacking-interaktioner er typisk stærkere end base-parring, siger Mahipal Ganji, adjunkt ved Institut for Biokemi, IISc, og den tilsvarende forfatter til papiret udgivet i Nature Nanotechnology .

For at studere alle 16 mulige base-stabling kombinationer brugte forskerne DNA-PAINT (Point Accumulation in Nanoscale Topography). DNA-PAINT er en billedbehandlingsteknik, der fungerer ud fra princippet om, at to kunstigt designede DNA-strenge - hver ender på en anden base - når de sættes sammen i en bufferopløsning ved stuetemperatur, vil binde og afbinde til hinanden tilfældigt i meget kort tid .

Holdet mærkede en af ​​strengene (imager-streng) med en fluorofor, der ville udsende lys under binding, og testede stablen af ​​denne streng oven på en anden forankret streng. Binding og afbinding af forskellige strengkombinationer (baseret på endebaserne) blev fanget som billeder under et fluorescensmikroskop.

Den tid, det tog for binding og afbinding af strengene, viste sig at stige, hvis interaktionen mellem de stablede baser var stærk, forklarer Abhinav Banerjee, førsteforfatter og ph.d. studerende ved Institut for Biokemi. Derfor byggede forskerne ved hjælp af data opnået fra DNA-PAINT en model, der kædede tidspunktet for binding og afbinding sammen med styrken af ​​interaktion mellem de stablede baser.

Ved at bruge denne teknik var holdet i stand til at afdække interessant indsigt i basestabling. For eksempel ser det ud til, at tilføjelse af blot en mere base-stabling-interaktion til en DNA-streng øger dens stabilitet med op til 250 gange. De fandt også ud af, at hvert nukleotidpar havde sin egen unikke stablestyrke. Denne information gjorde det muligt for teamet at designe en højeffektiv tre-armet DNA-nanostruktur, der potentielt kunne indbygges i et polyederformet vehikel til biomedicinske applikationer, såsom målretning af specifikke sygdomsmarkører og levering af målrettede terapier.

Forskerne arbejder også på at forbedre selve DNA-PAINT-teknikken. Banerjee siger, at de ved at udnytte stable-interaktioner planlægger at designe nye prober, som vil udvide de potentielle anvendelser af DNA-PAINT.

Desuden har forskningen bredere anvendelser ud over billeddannelse og nanoteknologi, ifølge forskerne. Ganji håber, at disse resultater kan bruges til at studere grundlæggende egenskaber ved enkelt- og dobbeltstrenget DNA, som igen kan kaste lys over DNA-reparationsmekanismer, hvis svigt fører til mange sygdomme, herunder kræft.

Flere oplysninger: Banerjee A, Anand M, Kalita S, Ganji M, enkeltmolekyleanalyse af DNA-basestablingsenergi ved brug af mønstrede DNA-nanostrukturer, Naturnanoteknologi (2023). www.nature.com/articles/s41565-023-01485-1

Journaloplysninger: Naturenanoteknologi

Leveret af Indian Institute of Science