DNA is niet alleen de blauwdruk van het leven, het is de ruggengraat geworden voor het maken van kleine structuren die in het menselijk lichaam kunnen worden ingebracht om ziekten te diagnosticeren en te behandelen. Vooral, onderzoekers richten hun blik op een techniek die bekend staat als DNA-origami, waarin ze nauwgezet honderden DNA-strengen assembleren om een ​​lilliputter-verzameling van structuren te bouwen, waaronder containers voor medicijnafgifte, biosensoren en andere biocompatibele apparaten.

In inspanningen die beloven dit proces drastisch te verbeteren, wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben nu een manier gevonden om de nauwkeurigheid van belangrijke informatie over hoe warmte de stabiliteit van gevouwen DNA-structuren beïnvloedt, aanzienlijk te verbeteren.

Om betrouwbaar te kunnen functioneren, deze structuren, slechts enkele tientallen nanometers (miljardsten van een meter) lang, moet zorgvuldig worden gevormd, bijvoorbeeld, om medicijnen te leveren aan specifieke doelen. Maar de krachten - waterstofbruggen - die stukjes DNA aan elkaar binden om de bekende dubbele helix te vormen, zijn afhankelijk van zowel de temperatuur als hun lokale omgeving.

Om te bepalen hoe verschillende DNA-strengen reageren op veranderingen in temperatuur, onderzoekers vertrouwen op een reeks metingen die een grafiek vormen die bekend staat als de DNA-smeltcurve. De curve onthult, bijvoorbeeld, de temperatuur waarbij de helft van de streng is "gesmolten, " of ontrafeld. Het toont ook de hoeveelheid warmte die de strengen moeten absorberen om hun temperatuur met één graad C te verhogen. Door deze en andere thermische eigenschappen van de strengen te onthullen, de curve geeft wetenschappers de kennis om duurzame, complexere structuren gemaakt van DNA.

Hoe belangrijk de DNA-smeltcurve ook is, er blijft een al lang bestaand probleem bij het nauwkeurig meten ervan. Vanwege achtergrondeffecten en onbekende bronnen van variabiliteit, tientallen identieke DNA-monsters hebben verschillende smeltkrommen, beperking van het vermogen van wetenschappers om zinvolle informatie te extraheren.

De NIST-onderzoekers hebben een nieuw wiskundig algoritme ontworpen dat automatisch rekening houdt met deze onbekende effecten. waardoor wetenschappers ten volle kunnen profiteren van de smeltcurve.

Als wetenschappers die verschillende manieren hebben bestudeerd om DNA-origami te perfectioneren, NIST-onderzoekers Jacob Majikes en Alex Liddle waren maar al te bekend met de onnauwkeurigheden die de DNA-smeltcurve teisterden. In principe, als zij en andere onderzoekers alle laboratoriumomstandigheden waaronder ze de curve hebben gemeten, nauwkeurig zouden kunnen reproduceren, de onzekerheden kunnen worden verminderd.

Maar gezien de minieme hoeveelheden DNA in de experimenten - niet groter dan een waterdruppel - was dat in de praktijk moeilijk te doen. Dus Majikes en Liddle namen contact op met een NIST-wiskundige, Anthony Kearsley, en zijn medewerker, NIST-fysicus Paul Patrone, in de hoop een wiskundige oplossing te vinden.

Voor Kearsley en Patrone, de uitdaging was onweerstaanbaar:de ware DNA-smeltcurve was verborgen in elke reeks metingen; de uitdaging was om een ​​manier te vinden om het te onthullen. Geen enkele bekende wiskundige theorie beschrijft de smeltcurve volledig, dus moesten de onderzoekers een manier vinden om de onzekerheden in de smeltcurve weg te nemen met alleen de experimentele gegevens. Met zo weinig informatie, het betekende dat ze creatief moesten zijn.

Bij het zoeken naar een algoritme dat dit probleem zou oplossen, het team erkende dat de vervormingen van de echte DNA-smeltcurves zich op een eenvoudige manier gedroegen. Dat is, de vervormingen waren verwant aan een speciaal soort funhouse-spiegel - een die de relatieve afstand tussen gegevenspunten behield, zelfs als deze de curve samennam of uitbreidde, en daardoor konden parallelle lijnen parallel blijven. Om die effecten te proberen te corrigeren, de wetenschappers pasten een wiskundig hulpmiddel toe dat bekend staat als een affiene transformatie.

Kearsley en Patrone waren op zoek naar een bepaalde affiene transformatie - een die ervoor zorgde dat elke dataset overeenkwam met alle andere, zodat ze er in wezen hetzelfde uit zouden zien. Maar om die transformatie te vinden, met behulp van een techniek die bekend staat als beperkte optimalisatie, de wetenschappers moesten van het bord af stappen en zich onderdompelen in de mechanica van het DNA-laboratorium.

Noch Kearsley noch Patrone hadden zelfs maar gehoord van DNA-origami, laat staan ​​de metingen die nodig zijn om de smeltcurve samen te stellen. Ze stelden tientallen vragen over elk onderdeel van het experiment op nanoschaal, bepalen welke onderdelen belangrijk waren om te modelleren en welke niet relevant waren. Na weken van theoretische berekeningen, Patrone kreeg zijn eerste kans om het daadwerkelijke experiment te zien. Met verbazing keek hij naar de laboratoriumopstelling, met zijn 8x12 reeks van 96 kleine putjes, elk met exact dezelfde DNA-sequentie waarvan Majikes en Liddle 96 verschillende DNA-smeltcurves hadden vastgelegd.

Gewapend met meer dan voldoende laboratoriumgegevens, Kearsley en Patrone hebben het optimalisatieprobleem uitgewerkt waarvan zij dachten dat het het beste zou werken om de fouten te verwijderen. Daarna pasten ze het algoritme toe op elk van de 96 curven en keken wat er gebeurde.

Op een computerscherm, de veelheid van bochten, op verschillende manieren vervormd, werd niet meer te onderscheiden, elk met dezelfde vorm, hoogte en eindpunten. De 96 curven waren ingestort om een ​​enkele DNA-smeltcurve te worden.

"We waren ervan overtuigd dat we het probleem hadden opgelost, " zei Kearsley. De onderzoekers rapporteren hun bevindingen in Volume 607 van: Analytische biochemie .

Wetenschappers hebben DNA-origami gebruikt om nanorobots te fabriceren die computerbewerkingen en voorgeprogrammeerde taken in levende organismen uitvoeren. Ze hebben ook vertrouwd op DNA-origami om miniatuurcontainers voor medicijnafgifte te maken die alleen openen wanneer ze geïnfecteerde cellen identificeren en zich eraan hechten.

Het team verspreidt nu het woord over het succes van hun oplossing, het waarschuwen van onderzoekers die DNA-origami uitvoeren dat het mogelijk is om de smeltcurve nauwkeurig te meten en de groei van DNA-origamistructuren te begeleiden. Net zo belangrijk, zei Patrone, dezelfde techniek zou kunnen worden toegepast op andere biofysische problemen waarbij de echte gegevens worden verduisterd door soortgelijke soorten fouten. De onderzoekers bestuderen hoe ze de nauwkeurigheid kunnen verbeteren van experimenten waarbij menselijke cellen door kleine kankerjagende detectoren stromen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.