Net als elke lange polymeerketen, DNA heeft de neiging om knopen te vormen. Met behulp van technologie die hen in staat stelt om DNA-moleculen uit te rekken en het gedrag van deze knopen in beeld te brengen, MIT-onderzoekers hebben ontdekt, Voor de eerste keer, de factoren die bepalen of een knoop langs de streng beweegt of op zijn plaats "vastloopt".

"Mensen die polymeerfysica bestuderen, hebben gesuggereerd dat knopen kunnen vastlopen, maar er zijn geen goede modelsystemen om het te testen, " zegt Patrick Doyle, de Robert T. Haslam Professor of Chemical Engineering en de senior auteur van de studie. "We hebben laten zien dat dezelfde knoop kan gaan van vastzitten naar mobiel zijn langs hetzelfde molecuul. Je verandert de omstandigheden en het stopt plotseling, en verander ze dan weer en het beweegt plotseling."

De bevindingen kunnen onderzoekers helpen manieren te ontwikkelen om DNA-knopen los te maken, die de nauwkeurigheid van sommige technologieën voor genoomsequentiebepaling zou helpen verbeteren, of om knoopvorming te bevorderen. Het induceren van knoopvorming kan sommige soorten sequentiebepaling verbeteren door de passage van de DNA-moleculen door het systeem te vertragen, zeggen de onderzoekers.

MIT-postdoc Alexander Klotz is de eerste auteur van het artikel, die verschijnt in het nummer van 3 mei van Fysieke beoordelingsbrieven .

Knopen in beweging

Doyle en zijn studenten bestuderen al jaren de fysica van polymeerknopen zoals DNA. DNA is zeer geschikt voor dergelijke studies omdat het een relatief groot molecuul is, het eenvoudig maken van afbeeldingen met een microscoop, en het kan gemakkelijk worden veroorzaakt om knopen te vormen.

"We hebben een mechanisme dat ervoor zorgt dat DNA-moleculen instorten tot een kleine bal, die wanneer we ons uitstrekken zeer grote knopen bevat, " zegt Klotz. "Het is alsof je je koptelefoon in je zak steekt en ze er vol knopen uittrekt."

Zodra de knopen zich vormen, de onderzoekers kunnen ze bestuderen met behulp van een speciaal microfluïdisch systeem dat ze hebben ontworpen. Het kanaal heeft de vorm van een T, met een elektrisch veld dat divergeert aan de bovenkant van de T. Een DNA-molecuul aan de bovenkant van de T zal gelijkmatig naar elke arm worden getrokken, dwingen om op zijn plaats te blijven.

Het MIT-team ontdekte dat ze knopen in deze vastgezette DNA-moleculen konden manipuleren door de sterkte van het elektrische veld te variëren. Als het veld zwak is, knopen hebben de neiging om langs het molecuul naar het dichtstbijzijnde uiteinde te bewegen. Als ze het einde bereiken, ze ontrafelen.

"Als de spanning niet te sterk is, ze zien eruit alsof ze willekeurig rondlopen. Maar als je ze lang genoeg bekijkt, ze hebben de neiging om in één richting te bewegen, naar het dichtstbijzijnde uiteinde van het molecuul, ' zegt Klotz.

Als het veld sterker is, het DNA dwingen om volledig uit te rekken, de knopen komen vast te zitten. Dit fenomeen is vergelijkbaar met wat er gebeurt met een knoop in een kralenketting als de ketting strakker wordt getrokken, zeggen de onderzoekers. Als de ketting slap hangt, een knoop kan er langs bewegen, maar als het strak wordt getrokken, de kralen van de ketting komen dichter bij elkaar en de knoop komt vast te zitten.

"Als je de knoop strakker maakt door het DNA-molecuul meer uit te rekken, het brengt de strengen dichter bij elkaar, en dit verhoogt de wrijving, ' zegt Klotz. 'Dat kan de drijvende kracht van het elektrische veld overweldigen.'

Knoop verwijderen

DNA-knopen komen ook voor in levende cellen, maar cellen hebben gespecialiseerde enzymen, topoisomerases genaamd, die dergelijke knopen kunnen ontwarren. De bevindingen van het MIT-team suggereren een mogelijke manier om relatief eenvoudig knopen van DNA buiten cellen te verwijderen door een elektrisch veld aan te leggen totdat de knopen helemaal naar het einde van het molecuul reizen.

Dit kan nuttig zijn voor een soort DNA-sequencing die bekend staat als nanochannel mapping, waarbij DNA langs een smalle buis wordt gespannen en de afstand tussen twee genetische sequenties wordt gemeten. Deze techniek wordt gebruikt om grootschalige genoomveranderingen aan het licht te brengen, zoals genduplicatie of genen die van het ene chromosoom naar het andere gaan, maar knopen in het DNA kunnen het moeilijker maken om nauwkeurige gegevens te krijgen.

Voor een ander type DNA-sequencing, bekend als nanopore-sequencing, het kan gunstig zijn om knopen in het DNA te induceren, omdat de knopen de moleculen vertragen terwijl ze door de sequencer reizen. Dit zou onderzoekers kunnen helpen om nauwkeurigere sequentie-informatie te krijgen.

Het zou ook nuttig kunnen zijn om deze benadering te gebruiken om knopen van andere soorten polymeren te verwijderen, zoals die welke worden gebruikt om kunststoffen te maken. omdat knopen materialen kunnen verzwakken.

De onderzoekers bestuderen nu andere fenomenen die verband houden met knopen, inclusief het proces van het losmaken van complexere knopen dan die ze in dit artikel hebben bestudeerd, evenals de interacties tussen twee knopen in een molecuul.