(Phys.org) — Toen onderzoekers uit Illinois op zoek gingen naar een methode om te controleren hoe DNA door een klein sequentiëringsapparaat beweegt, ze wisten niet dat ze op het punt stonden getuige te zijn van een demonstratie van moleculaire gymnastiek.

Snel, nauwkeurige en betaalbare DNA-sequencing is de eerste stap naar gepersonaliseerde geneeskunde. Een DNA-molecuul door een klein gaatje halen, een nanoporie genoemd, in een vel grafeen kunnen onderzoekers de DNA-sequentie lezen; echter, ze hebben beperkte controle over hoe snel het DNA door de porie beweegt. In een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , Natuurkundeprofessor Aleksei Aksimentiev van de Universiteit van Illinois en afgestudeerde student Manish Shankla brachten een elektrische lading aan op het grafeenblad, in de hoop dat het DNA zo op de lading zou reageren dat ze de beweging naar elke afzonderlijke schakel zouden kunnen beheersen, of nucleotide, in de DNA-keten.

"Ideaal, je zou het DNA nucleotide per nucleotide door de nanoporie willen stappen, "zei Aksimentiev. "Doe een meting en neem dan nog een nucleotide in het detectiegat. Dat is het doel, en het is nog niet gerealiseerd. Dat laten we zien, tot op zekere hoogte, we kunnen het proces beheersen door het grafeen op te laden."

De onderzoekers ontdekten dat een positieve lading in het grafeen de DNA-beweging door de nanopore versnelt, terwijl een negatieve lading het DNA in zijn sporen stopt. Echter, terwijl ze keken, het DNA leek over het grafeenoppervlak te dansen, pirouettes in vormen die ze nog nooit hadden gezien, specifiek voor de volgorde van de DNA-nucleotiden.

"Het doet me denken aan het Zwanenmeer, "Zei Aksimentiev. "Het is erg acrobatisch. We waren erg verrast door de verscheidenheid aan DNA-conformaties die we aan het oppervlak van grafeen kunnen waarnemen wanneer we het opladen. Er is één reeks die begint op het oppervlak te liggen, en als we de lading veranderen, ze kantelen allemaal op de zijkant alsof ze een eenarmige push-up doen. Dan hebben we ook nucleotiden die achterover leunen, of omhoog gaan als een ballerina en pointe."

Bekijk een video-animatie van DNA dat danst terwijl de grafeenlading verandert:

Aksimentiev veronderstelt dat de conformaties zo verschillend en zo specifiek zijn voor de sequentie omdat elke nucleotide een iets andere verdeling van elektronen heeft, de negatief geladen delen van de atomen. Er is zelfs een zichtbaar verschil wanneer een nucleotide gemethyleerd is, een kleine chemische verandering die een gen aan of uit kan zetten.

Door de lading in het grafeen te veranderen, de onderzoekers kunnen niet alleen de beweging van het DNA door de porie controleren, maar ook de vorm waarin het DNA zich vervormt.

"Omdat het omkeerbaar is, we kunnen het dwingen om één conformatie aan te nemen en het dan dwingen om terug te gaan. Daarom noemen we het gymnastiek, ' zei Aksimentiev.

De onderzoekers maakten veelvuldig gebruik van de Blue Waters-supercomputer van het National Center for Supercomputing Applications, gehuisvest aan de Universiteit van Illinois. Ze brachten elk individueel atoom in het complexe DNA-molecuul in kaart en voerden talloze simulaties uit van veel verschillende DNA-sequenties. Supercomputerkracht was essentieel voor het uitvoeren van het werk, zei Aksimentiev.

"Dit is een heel rekenintensief project, ', zei hij. 'Toegang hebben tot Blue Waters was essentieel, want met het enorme aantal simulaties, we zouden ze niet hebben kunnen afmaken. Het zou te lang hebben geduurd."

De volgende stap is het combineren van een geladen nanopore-opstelling met een sensor om een ​​DNA-sequentiebepalingsapparaat te bouwen dat zowel bewegingscontrole als nucleotideherkenning zou bevatten. De onderzoekers hopen ook de onverwachte conformatieveranderingen te onderzoeken voor inzichten in epigenetica, het veld dat bestudeert hoe genen worden uitgedrukt en gemodereerd.

"DNA is veel gecompliceerder dan alleen een dubbele helix. Het is een complex molecuul met veel eigenschappen, en we zijn ze nog steeds aan het ontdekken, ' zei Aksimentiev.