Natuurkundigen van de Universiteit van Basel hebben een nieuwe methode ontwikkeld om de elasticiteit en bindingseigenschappen van DNA-moleculen op een oppervlak bij extreem lage temperaturen te onderzoeken. Met een combinatie van cryo-force spectroscopie en computersimulaties, ze konden aantonen dat DNA-moleculen zich gedragen als een ketting van kleine spiraalveren. De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen in Natuurcommunicatie .

DNA is niet alleen een populair onderzoeksonderwerp omdat het de blauwdruk voor het leven bevat, het kan ook worden gebruikt om minuscule componenten voor technische toepassingen te produceren. In een proces dat bekend staat als DNA-origami, wetenschappers kunnen het genetische materiaal zo manipuleren dat het vouwen van de DNA-strengen kleine twee- en driedimensionale structuren creëert. Deze kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, als containers voor farmaceutische stoffen, als geleidende buizen en als zeer gevoelige sensoren.

Meting bij lage temperaturen

Om de gewenste vormen te kunnen vormen, het is belangrijk om bekend te zijn met de structuur, de elasticiteit en de bindende krachten van de gebruikte DNA-componenten. Deze fysieke parameters kunnen niet worden gemeten bij kamertemperatuur, omdat de moleculen constant in beweging zijn.

Hetzelfde geldt niet bij lage temperaturen:het team onder leiding van professor Ernst Meyer van het Zwitserse Nanoscience Institute en de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel heeft nu voor het eerst cryo-forcemicroscopie gebruikt om DNA-moleculen te karakteriseren en hun bindingskrachten en elasticiteit.

Stuk voor stuk losgemaakt

De wetenschappers plaatsten slechts enkele nanometer lange DNA-strengen met 20-cytosine-nucleotiden op een gouden oppervlak. Bij een temperatuur van 5 Kelvin, het ene uiteinde van de DNA-streng werd vervolgens naar boven getrokken met behulp van de punt van een atoomkrachtmicroscoop. In het proces, de afzonderlijke componenten van de streng bevrijdden zich beetje bij beetje van het oppervlak. Hierdoor konden de natuurkundigen hun elasticiteit vastleggen, evenals de krachten die nodig zijn om de DNA-moleculen los te maken van het goudoppervlak.

"Hoe langer het losse stukje DNA, hoe zachter en elastischer het DNA-segment wordt, " legt hoofdauteur Dr. Rémy Pawlak uit. Dit komt omdat de afzonderlijke componenten van het DNA zich gedragen als een ketting van meerdere spiraalveren die met elkaar zijn verbonden. Dankzij de metingen, de onderzoekers konden de veerconstante voor de afzonderlijke DNA-componenten bepalen.

Computersimulaties maken duidelijk dat het DNA discontinu wordt losgemaakt van het oppervlak. Dit komt door het verbreken van bindingen tussen de cytosinebasen en de DNA-ruggengraat van het gouden oppervlak, en hun abrupte bewegingen over het gouden oppervlak. De theoretische elasticiteitswaarden correleren zeer nauw met de experimenten en bevestigen het model van serieel opgestelde veren.

Momentopnamen geven inzicht

De studies bevestigen dat cryokrachtspectroscopie zeer geschikt is om de krachten te onderzoeken, elasticiteit en bindingseigenschappen van DNA-strengen op oppervlakken bij lage temperaturen.

"Net als bij cryogene elektronenmicroscopie, we nemen een momentopname met cryo-force spectroscopie, die ons inzicht geeft in de eigenschappen van DNA, " legt Meyer uit. "In de toekomst zullen we zouden ook gebruik kunnen maken van scanning probe-microscoopbeelden om nucleotidesequenties te bepalen."