(Phys.org) — In de jaren 60, Nobelprijswinnaar Pierre-Gilles de Gennes stelde dat onderzoekers ooit zijn theorieën over polymeernetwerken zouden kunnen testen door afzonderlijke moleculen te observeren. Onderzoekers van Brown observeerden afzonderlijke DNA-moleculen die door elektrische stroom door nanoporiën werden getrokken en ontdekten waarom ze het vaakst met het hoofd eerst reizen.

Als je een roman wilt begrijpen, het helpt om vanaf het begin te beginnen in plaats van te proberen de plot ergens in het midden op te pikken. Hetzelfde geldt voor het analyseren van een DNA-streng. De beste manier om het te begrijpen, is door het van kop tot staart te bekijken.

Gelukkig, volgens een nieuwe studie door natuurkundigen aan de Brown University, DNA-moleculen hebben een gemakkelijke neiging om samen te werken.

Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , kijkt naar de dynamiek van hoe DNA-moleculen worden gevangen door nanoporiën in vaste toestand, kleine gaatjes die binnenkort kunnen helpen om het DNA razendsnel te sequencen. De studie wees uit dat wanneer een DNA-streng wordt gevangen en door een nanoporie wordt getrokken, het is veel waarschijnlijker dat de reis aan een van de uiteinden begint, in plaats van ergens in het midden te worden gegrepen en er in een opgevouwen configuratie doorheen getrokken.

"We denken dat dit een belangrijke stap vooruit is om te begrijpen hoe DNA-moleculen interageren met deze nanoporiën, " zei Dirk Stein, assistent-professor natuurkunde bij Brown, die het onderzoek uitvoerde met afstudeerstudenten Mirna Mihovilivic en Nick Haggerty. "Als je sequencing of een andere analyse wilt doen, je wilt dat het molecuul van kop tot staart door de porie gaat."

Onderzoek naar DNA-sequencing met nanoporiën begon iets meer dan 15 jaar geleden. Het concept is vrij eenvoudig. Een klein gaatje, een paar miljardsten van een meter breed, wordt geprikt in een barrière die twee poelen met zout water scheidt. Er wordt een elektrische stroom over het gat aangelegd, die af en toe een DNA-molecuul aantrekt dat in het water drijft. Wanneer dat gebeurt, het molecuul wordt in een fractie van een seconde door de porie geklopt. Wetenschappers kunnen dan sensoren op de porie of andere middelen gebruiken om nucleotidebasen te identificeren, de bouwstenen van de genetische code.

De technologie gaat snel vooruit, en de eerste nanopore-sequencing-apparaten zullen naar verwachting zeer binnenkort op de markt komen. Maar er zijn nog steeds fundamentele vragen over hoe moleculen zich gedragen op het moment dat ze worden gevangen en daarvoor.

"Wat de moleculen aan het doen waren voordat ze werden gevangen, was een mysterie en een kwestie van speculatie, "Zei Stein. "En dat willen we graag weten, want als je iets probeert te ontwikkelen om dat molecuul te beheersen - om het te laten doen wat je wilt - moet je weten wat het doet."

Om erachter te komen wat die moleculen van plan zijn, de onderzoekers volgden zorgvuldig meer dan 1, 000 gevallen van een molecuul dat door een nanoporie ritselt. De elektrische stroom door de porie geeft een signaal van hoe het molecuul is gegaan. Moleculen die eerst door het midden gaan, moeten worden omgevouwen om te passeren. Die opgevouwen configuratie neemt meer ruimte in de porie in en blokkeert meer van de stroom. Dus door te kijken naar verschillen in de stroom, Stein en zijn team konden tellen hoeveel moleculen er als eerste doorheen gingen en hoeveel er ergens in het midden begonnen.

De studie wees uit dat moleculen meerdere keren meer kans hebben om te worden gevangen aan of heel dichtbij een uiteinde dan op enig ander enkel punt langs het molecuul.

"Wat we ontdekten was dat uiteinden speciale plaatsen zijn, Stein zei. "Het midden is anders dan een einde, en dat heeft een gevolg voor de kans dat een molecuul zijn reis begint vanaf het einde of het midden."

Altijd ruimte voor Jell-O

Zoals het blijkt, er is een oude theorie die deze nieuwe experimentele resultaten vrij goed verklaart. Het is de theorie van Jell-O.

Jell-O is een polymeernetwerk - een massa kronkelige polymeerstrengen die op willekeurige kruispunten aan elkaar hechten. De kronkelende lokken zijn de reden dat Jell-O een jiggly is, halfvast. De manier waarop de polymeerstrengen met elkaar verbinden, is niet anders dan de manier waarop een DNA-streng zich verbindt met een nanoporie op het moment dat het wordt gevangen. In water, DNA-moleculen worden door elkaar gegooid in willekeurige kronkels, net zoals de gelatinemoleculen in Jell-O.

"Er is een krachtige theorie die beschrijft op hoeveel manieren de polymeren in Jell-O zichzelf kunnen rangschikken en hechten, Stein zei. "Dat blijkt perfect toepasbaar te zijn op het probleem waar deze DNA-moleculen worden opgevangen door een nanopore."

Wanneer toegepast op DNA, de Jell-O-theorie voorspelt dat als je alle mogelijke configuraties van een DNA-streng zou optellen op het moment van vastleggen, je zou merken dat er meer configuraties zijn waarin het aan het einde wordt vastgelegd, vergeleken met andere punten langs de streng. Het is een beetje zoals de kans om een ​​paar te krijgen bij poker vergeleken met de kans om three of a kind te krijgen. Je hebt meer kans om een ​​paar te krijgen, simpelweg omdat er meer paren in het kaartspel zitten dan er triples zijn.

Deze maat voor alle mogelijke configuraties - een maat voor wat natuurkundigen de entropie van het molecuul noemen - is alles wat nodig is om te verklaren waarom DNA de neiging heeft om voorop te gaan. Sommige wetenschappers hadden gespeculeerd dat strengen misschien minder snel door het midden zouden gaan, omdat het dubbelvouwen ervan extra energie zou vergen. Maar die vouwenergie lijkt er helemaal niet toe te doen. Zoals Stein het zegt, "Het aantal manieren waarop een molecuul zichzelf kan vinden met zijn kop in de porie steken is gewoon groter dan het aantal manieren waarop het zichzelf kan vinden terwijl het midden de porie raakt."

Deze theorieën over polymeernetwerken bestaan ​​eigenlijk al een tijdje. Ze werden voor het eerst voorgesteld door wijlen Nobelprijswinnaar Pierre-Gilles de Gennes in de jaren zestig, en Bertrand Duplantier maakten belangrijke vorderingen in de jaren tachtig. Mihovilivic, Stein's afgestudeerde student en de hoofdauteur van deze studie, zegt dat dit eigenlijk een van de eerste laboratoriumtests van die theorieën is.

"Ze konden tot nu toe niet worden getest, wanneer we daadwerkelijk enkelvoudige molecuulmetingen kunnen doen, " zei ze. "[De Gennes] stelde dat het op een dag mogelijk zou zijn om dit te testen. Ik denk dat hij erg opgewonden zou zijn geweest om het te zien gebeuren."