Een geavanceerde beeldvormingstechniek onthult nieuwe structurele details van S-DNA, ladderachtig DNA dat zich vormt wanneer het molecuul extreme spanning ervaart. Dit werk, uitgevoerd door Sandia National Laboratories en de Vrije Universiteit in Nederland, levert het eerste experimentele bewijs dat S-DNA sterk gekantelde basenparen bevat.

De voorspelbare koppeling en stapeling van de DNA-basenparen helpen om de dubbele helixvorm van het molecuul te bepalen. Begrijpen hoe de basenparen opnieuw uitlijnen wanneer DNA wordt uitgerekt, kan inzicht verschaffen in een reeks biologische processen en het ontwerp en de prestaties van nanodevices die met DNA zijn gebouwd, verbeteren. Gekantelde basenparen in uitgerekt S-DNA zijn eerder voorspeld met behulp van computersimulaties, maar tot nu toe nooit overtuigend aangetoond in experimenten, volgens een recent artikel in Science Advances.

DNA is het meest bekend als de moleculaire drager van genetische informatie. Echter, in onderzoekslaboratoria over de hele wereld, het heeft ook een ander gebruik:bouwmateriaal voor apparaten op nanoschaal. Om dit te doen, wetenschappers bereiden door de computer gegenereerde sequenties van enkelstrengs DNA voor, zodat bepaalde secties basenparen vormen met andere secties. Dit dwingt de streng te buigen en te vouwen als origami. Onderzoekers hebben dit principe gebruikt om DNA te vouwen in microscopisch kleine smileygezichten, nanomachines met bewegende scharnieren en zuigers en 'slimme' materialen die zich spontaan aanpassen aan veranderingen in de omringende chemische omgeving.

"Om een ​​vliegtuig of een brug te bouwen, het is belangrijk om de structuur te kennen, sterkte en rekbaarheid van elk materiaal dat erin ging, " zei Adam Backer, een optische wetenschapper bij Sandia en hoofdauteur van de studie. "Hetzelfde geldt voor het ontwerpen van nanostructuren met DNA."

Hoewel er veel bekend is over de mechanische eigenschappen van de dubbele helix van DNA, er blijven mysteries over de details van zijn vorm wanneer het molecuul in een laboratorium wordt uitgerekt om de ladderachtige structuur van S-DNA te vormen. Standaardmanieren om de DNA-structuur te visualiseren, kunnen geen structurele veranderingen volgen terwijl het molecuul losdraait.

Opgerekt DNA zien

Om de structuur en rekbaarheid van S-DNA te karakteriseren, Backer werkte samen met collega's in de onderzoeksgroep Physics of Living Systems van LaserLaB Amsterdam aan de Vrije Universiteit. De onderzoekers beschreven hun proces in het tijdschriftartikel. Met behulp van instrumentatie ontwikkeld door zijn collega's, Backer bevestigde eerst een microscopisch kleine kraal aan elk uiteinde van een kort stukje viraal DNA. Deze kralen dienden als handvatten om een ​​enkel molecuul DNA te manipuleren.

Volgende, de onderzoekers vingen het kralen-DNA op in een smalle met vloeistof gevulde kamer met behulp van twee strak gefocuste laserstralen. Omdat de kralen vast blijven zitten in de laserstralen, de onderzoekers konden de kralen in de kamer verplaatsen door de laserstralen om te leiden. Hierdoor konden ze het aangehechte DNA rekken om S-DNA te vormen. Deze techniek voor het manipuleren van microscopisch kleine deeltjes, optische pincet genoemd, bood ook nauwkeurige controle over de hoeveelheid rekkracht die op een enkel DNA-molecuul wordt uitgeoefend.

Echter, de structurele veranderingen die optreden binnen het uitgerekte DNA-molecuul waren te klein om direct te worden waargenomen met een standaard optische microscoop. Om deze uitdaging aan te gaan, Backer hielp zijn collega's een beeldvormingsmethode genaamd fluorescentiepolarisatiemicroscopie te combineren met het optische pincetinstrument. Eerst, ze voegden kleine, staafachtige fluorescerende kleurstofmoleculen naar de oplossing die optisch gevangen DNA bevat. In ongerekt DNA, de kleurstofmoleculen sandwichen zich tussen naburige sets van basenparen en staan ​​loodrecht op de centrale as van de dubbele helix. Als een rekkracht ervoor zorgt dat de DNA-basenparen kantelen, de kleurstoffen zouden ook kantelen.

Volgende, de onderzoekers gebruikten de fluorescerende signalen van de kleurstoffen om te bepalen of de basenparen in uitgerekte DNA gekanteld waren. De fluorescerende kleurstoffen zenden groen fluorescerend licht uit wanneer ze interageren met lichtgolven van een laserstraal die langs dezelfde as wijst als de kleurstofmoleculen. De onderzoekers veranderden de oriëntatie van de lichtgolven door de polarisatie van een laserstraal over verschillende hoeken te roteren. Vervolgens, ze rekten het DNA uit en keken naar groene fluorescerende signalen die onder de microscoop verschenen. Uit deze metingen is en computationele analysemethoden ontwikkeld bij Sandia, de onderzoekers bepaalden dat de kleurstoffen, en dus de basenparen, uitgelijnd in een hoek van 54 graden ten opzichte van de centrale as van het DNA.

"Dit experiment levert het meest directe bewijs tot nu toe ter ondersteuning van de hypothese dat S-DNA gekantelde basenparen bevat, ", zei Backer. "Om dit fundamenteel nieuwe begrip van DNA te krijgen, het was nodig om een ​​aantal geavanceerde technologieën te combineren en wetenschappers uit verschillende technische disciplines samen te brengen om aan een gemeenschappelijk doel te werken."

Er is wijdverbreide speculatie onder wetenschappers dat structuren die lijken op S-DNA zich kunnen vormen tijdens de dagelijkse activiteiten van menselijke cellen, maar, Momenteel, het biologische doel van S-DNA is nog onbekend. S-DNA kan het herstel van beschadigd of gebroken DNA vergemakkelijken, helpen beschermen tegen celdood en kanker. Backer hoopt dat dit duidelijker begrip van de fysische principes die DNA-vervorming bepalen als leidraad zal dienen voor verder onderzoek naar de rol van S-DNA in cellen.

Toen Backer in november 2016 bij Sandia kwam werken als Truman Fellow, hij kreeg de kans om een ​​onafhankelijk onderzoeksprogramma naar eigen ontwerp te starten. Hij had tijdens zijn graduate school aan de Stanford University een methode voor polarisatiemicroscopie ontwikkeld en dacht dat de techniek potentie had. Zei Backer:"Bij Sandia wilde ik deze techniek zo ver mogelijk pushen. Het feit dat dit werk heeft geleid tot resultaten die mogelijk relevant zijn voor gebieden als biologie en nanotechnologie, is buitengewoon geweest."