Hoewel DNA vaak wordt geïdealiseerd als de ‘molecule van het leven, " het is ook een zeer geavanceerd polymeer dat kan worden gebruikt voor materialen van de volgende generatie. Naast het feit dat het informatie kan opslaan, andere fascinerende aspecten van DNA zijn de geometrische en topologische eigenschappen, zoals knopen en supercoilen. Inderdaad, heel erg als een gedraaid telefoonsnoer, DNA wordt vaak gevonden opgerold in bacteriën en andere cellen en zelfs verstrikt in virussen. Nutsvoorzieningen, een samenwerking van wetenschappers van de universiteiten van Edinburgh, San Diego en Wenen zijn begonnen deze eigenschappen te benutten om "topologisch afstembare" op DNA gebaseerde complexe vloeistoffen en zachte materialen te maken met mogelijke toepassingen in medicijnafgifte en weefselregeneratie, zoals gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

De bekende dubbele spiraalvorm van DNA heeft ingrijpende gevolgen voor het gedrag ervan. Een lineair DNA-molecuul, dat is een DNA-molecuul met twee uiteinden, kan vrij draaien en draaien. Daarentegen, het verbinden van de twee uiteinden om een ​​DNA-cirkel te vormen, houdt in dat elke over- of onderdraaiing van de dubbele helix "topologisch vergrendeld blijft, "d.w.z. de extra twist kan niet worden verwijderd zonder het molecuul te snijden. Over of onder wendingen hebben interessante gevolgen voor hoe DNA-moleculen in de ruimte rangschikken - in het bijzonder, ze kronkelen en knikken om zich heen, net als een oud telefoonsnoer in zogenaamde supercoiled conformaties (fig. 1). Het knikken van DNA verlicht de stress van het over/onder draaien, en vermindert daardoor de totale grootte van het molecuul. Om deze reden wordt gedacht dat supercoiling een natuurlijk mechanisme is dat door cellen wordt gebruikt om hun genoom in kleine ruimtes te verpakken. Terwijl de kleinere afmeting natuurlijk leidt tot snellere diffusie van DNA-moleculen in oplossing, b.v. in water of door gelporiën, vanwege de lagere weerstand, dit goed begrepen gedrag treedt niet op wanneer veel DNA-moleculen zijn verpakt en verstrengeld als spaghetti in een kom.

"We hebben grootschalige computersimulaties uitgevoerd van dichte oplossingen van DNA-moleculen met verschillende mate van supercoiling en hebben verschillende verrassende resultaten gevonden, " legt Jan Smrek van de Universiteit van Wenen uit, de eerste auteur van de studie. "In tegenstelling tot het verdunde geval, hoe meer supergekronkeld de DNA-ringen, hoe groter hun omvang." Omdat de moleculen elkaar moeten vermijden, hun vormen nemen sterk asymmetrische en vertakte conformaties aan die meer volume innemen dan hun niet-supercoiled tegenhangers. Intrigerend, en tegen de verwachting in, "de grotere DNA-moleculen leveren nog steeds een snellere diffusie op." De snellere diffusie betekent dat de oplossing een lagere viscositeit heeft.

Supercoiled DNA-moleculen die van nature in bacteriën voorkomen, staan ​​​​bekend als plasmiden. in vivo, cellen hebben speciale eiwitten, topoisomerase genaamd, die de hoeveelheid supercoiling in plasmiden kunnen verminderen. "Dankzij deze eiwitten - die kunnen worden gezuiverd en in het laboratorium kunnen worden gebruikt - zijn we in staat om de mate van supercoiling in verstrengelde DNA-plasmiden te beheersen en hun dynamiek te bestuderen met behulp van fluorescerende kleurstoffen. We waren verbaasd toen we ontdekten dat, inderdaad, DNA-plasmiden die werden behandeld met topoisomerase, en dus met lage supercoiling, zijn langzamer dan hun sterk supercoiled tegenhangers, " legt Rae Robertson Anderson uit, die de experimenten leidde aan de Universiteit van San Diego.

Om de verrassende snellere dynamiek te verklaren, gebruikten de wetenschappers grootschalige simulaties op supercomputers om te kwantificeren hoe verstrengeld de moleculen in oplossingen zijn. Hoewel het bekend is dat een ringvormig polymeer, vergelijkbaar met een circulair DNA-plasmide, door een andere ring kan worden geregen, wat betekent dat de laatste door het oog van de eerste kan doordringen, het was niet bekend hoe dit type verstrengeling de beweging van supercoiled DNA beïnvloedt. Dankzij de simulaties de wetenschappers ontdekten dat een hoge mate van supercoiling het doordringbare gebied van elk molecuul vermindert, wat resulteert, beurtelings, in minder threadings tussen de plasmiden en uiteindelijk resulterend in een oplossing met een lagere viscositeit. Hoe dan ook, de plasmiden konden nog steeds om elkaar heen wikkelen en elkaars beweging beperken zonder te rijgen. Nog, de supercoiling verstevigt de conformaties en maakt ze daardoor minder geneigd om strak te buigen en te verstrengelen, wat ook dit soort verstrikking vermindert.

Davide Michieletto van de Universiteit van Edinburgh zegt:"We vonden deze nieuwe effecten niet alleen in simulaties, maar we hebben deze trends ook experimenteel gedemonstreerd en een theorie ontwikkeld die ze kwantitatief beschrijft. Door de supercoiling te veranderen, kunnen we de viscositeit van deze complexe vloeistoffen naar believen afstemmen. We begrijpen nu veel beter het verband tussen de adaptieve geometrie van de moleculen en de resulterende materiaaleigenschappen. Dit is niet alleen opwindend vanuit het fundamentele perspectief, maar belooft ook nuttige toepassingen. Met behulp van speciale enzymen, zoals de topoisomerase, men kan schakelbare, op DNA gebaseerde zachte materialen ontwerpen met afstembare eigenschappen."