(Phys.org) - Een nieuwe studie toont aan dat onderzoekers de afstand tussen twee moleculen zo kunnen regelen dat ze de stapgrootte kunnen aanpassen tot zo klein als de straal van Bohr. Deze proof-of-concept-studie met behulp van DNA-origami-technieken laat zien hoe moleculaire positionering op atomair niveau bij kamertemperatuur in oplossing kan worden verfijnd. Dit werk heeft toepassingen voor zowel moleculaire architectuur als chemische reacties op sjablonen. Deze studie verschijnt in Natuur Nanotechnologie .

De TEM-afbeeldingen in het rapport van Jonas J. Funke en Hendrik Dietz zien eruit als een reeks eenvoudige machines die een leerling op school zou leren, maar deze eenvoudige machines zijn gemaakt van DNA. Maar, vergelijkbaar met eenvoudige machines, naarmate de hoek tussen elkaar snijdende stukken groter wordt, de afstand tussen distale eindpunten op de kruisende stukken neemt toe. Funke en Dietz controleerden de afstand van de distale eindpunten door een helix aan te passen, een DNA-helix waarvan de lengte wordt vergroot door toevoeging van basenparen.

De kruisende stukken zijn ook DNA-helices, wat betekent dat als de hoek convergeert, de afstand tussen de ene helix en de andere wordt kleiner. De basenparen op elke helix bevinden zich op een bepaalde afstand van de basenparen op de andere helix. Zoals dit werk laat zien, die afstand is instelbaar.

Funke en Dietz toonden aan dat de hoek verandert met toenemende lengte van de stelschroef door helices te maken met een lengte van tien basenparen tot vijftig basenparen. TEM-onderzoeken lieten een geleidelijk toenemende hoek zien naarmate de lengte van de stelschroef groter werd. De DNA-armen en afstelhelices vormen de basis om de afstand tussen twee op de armen geplaatste moleculen die op elkaar inwerken te regelen.

Funke en Dietz gebruikten FRET-onderzoeken om de afstand en interactie tussen twee moleculen op deze DNA-steiger beter te begrijpen. In FRET draagt ​​een donorchromofoor energie over aan een acceptorchromofoor. De efficiëntie van deze overdracht is gerelateerd aan de afstand tussen de chromoforen. In dit onderzoek, chromoforen werden op positie vijf geplaatst, vijftien, en vijfentwintig langs de DNA-armen. Positie vijf is het dichtst bij het hoekpunt en vijfentwintig is het verst verwijderd van het hoekpunt. Ze vonden een verband tussen emissie-intensiteiten en de lengte van de helix van de regelaar. Aanvullend, elektroforetische studies toonden aan dat het functionaliseren van de DNA-steiger met chromoforen de eigenschappen van de scaffold niet veranderde.

Naarmate de chromofoorafstanden afnamen van 9,0 nm tot 3,5 nm, ze observeerden de verwachte donor/acceptor-interacties. Toen de afstanden afnamen van 3,5 nm naar 1,5 nm, ze observeerden het uitdoven van de fluorescentie. Hun gegevens suggereerden dat ze afstanden van slechts 0,04 nm konden onderscheiden. Dit werd bevestigd met een verbeterde studie van fluorescentie-uitdoving, waaruit blijkt dat het mogelijk is om afstanden te onderscheiden die 0,04 nm verschillen, of kleiner dan de straal van Bohr.

Eindelijk, om te begrijpen hoe thermische fluctuaties bij kamertemperatuur de moleculaire afstanden beïnvloeden, Funke en Dietz keken naar chemische verknopingsreacties van thiolgroepen. De thiolgroepen werden vijftien basenparen verwijderd van de tophoek geplaatst en reageerden met vijf verschillende homo-bifunctionele bismaleimide linkermoleculen met bekende afstanden en thermische fluctuaties. Dit zorgde voor twee mogelijke reacties, de verknoopte reactie en de niet-verknoopte reactie.

Door de verknopingsopbrengst in een grafiek uit te zetten als functie van de afstand, ze ontdekten dat zolang de bismaleimide lang genoeg was om de afstand te overbruggen, dan zou het het verknoopte product produceren. Als niet, de opbrengst ging naar nul. Experimentele resultaten toonden aan dat de opbrengstdaling geleidelijk was en op een grotere afstand dan de contourlengte van het bismaleimide, door schommelingen bij kamertemperatuur en in oplossing. Bijvoorbeeld, BMOE, een van de bismaleimideverbindingen, heeft een contourlengte van 1,05 nm, maar de opbrengst nam af bij 3,5 nm. Met behulp van een kwantitatief model voor de reactie, Funke en Dietz konden de fluctuaties in de afstandscoördinaat tot op 0,5 nm berekenen.

Deze proof-of-concept-studie toont de mogelijkheid aan om een ​​DNA-scaffold te gebruiken om de moleculaire afstand te beheersen. Toen we vroegen naar de implicaties van zijn onderzoek, Dr. Funke zei, "Materiaal met steeds meer precisie ordenen is een belangrijk doel voor wetenschap en technologie. Uit ons onderzoek blijkt, dat scaffolded DNA-origami de rationele positionering van twee moleculen met atomaire resolutie mogelijk maakt en daarom nieuwe mogelijkheden opent om moleculaire interacties te bestuderen en te manipuleren.

© 2015 Fys.org