Kennis van hoe DNA vouwt en buigt, zou een nieuw perspectief kunnen bieden op hoe het in cellen wordt verwerkt, terwijl het ook kan helpen bij het ontwerp van op DNA gebaseerde apparaten op nanoschaal, zegt een biomedisch ingenieur aan de Texas A&M University, wiens nieuwe op beweging gebaseerde analyse van DNA een nauwkeurige weergave geeft van de flexibiliteit van het molecuul.

Het model, die nieuw licht werpt op de fysieke eigenschappen van DNA, werd ontwikkeld door Wonmuk Hwang, universitair hoofddocent bij de faculteit Biomedische Technologie van de universiteit, en zijn Ph.D. student Xiaojing Teng. Hwang gebruikt computersimulatie en theoretische analyse om biomoleculen zoals DNA te bestuderen die essentiële functies vervullen in het menselijk lichaam. Zijn nieuwste model, die een op beweging gebaseerde analyse van DNA biedt, wordt gedetailleerd beschreven in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano .

Naast het huisvesten van de genetische informatie die nodig is om een ​​organisme te bouwen en te onderhouden, DNA heeft een aantal ongelooflijk interessante fysieke eigenschappen die het ideaal maken voor de constructie van nanodevices, Hwang merkt op. Bijvoorbeeld, het DNA dat zich in de kern van een menselijke cel bevindt, kan zich uitstrekken tot 1,20 meter wanneer het wordt uitgerekt, maar dankzij een aantal vouwen, bochten en wendingen, het blijft in een ruimte die niet groter is dan één micron - een fractie van de breedte van een mensenhaar. DNA kan ook worden geprogrammeerd voor zelfmontage en demontage, waardoor het bruikbaar is voor het bouwen van nanomechanische apparaten.

Het begrijpen van de unieke fysieke eigenschappen ervan is de sleutel tot het ontsluiten van het potentieel van DNA als bouwinstrument, maar eerdere studies, Hwang merkt op, hebben beperkte informatie opgeleverd over DNA-flexibiliteit. Dit is grotendeels te wijten aan hun afhankelijkheid van statische structurele modellen van het molecuul, zegt Hwang. In tegenstelling tot die onderzoeken, Het model van Hwang omvat een atomistische simulatie, zodat de inherente thermische beweging van DNA kan worden geanalyseerd. Hwang en zijn team kunnen dan meten hoe de DNA-streng tijdens deze beweging vervormt.

Het sleutelbegrip in de analyse, Hwang legt uit, staat bekend als 'hoofdas, ' wat in feite aangeeft waar een hengel het gemakkelijkst kan buigen of waar deze het stijfst is. Bijvoorbeeld, een liniaal kan het gemakkelijkst buigen bij de platte kant, terwijl het het moeilijkst is om te buigen bij de dunne rand, hij zegt. Vergelijkbaar gedrag is te zien voor DNA. Deze op beweging gebaseerde analyse, Hwang zegt, heeft al geleid tot enkele belangrijke bevindingen en biologische inzichten over DNA.

Bijvoorbeeld, een dubbele DNA-helixketen, Hwang merkt op, kan verschillende flexibiliteit hebben op basis van hoe de sequenties van nucleotiden op de keten zijn georganiseerd. Bovendien, Hwang's model onthulde dat DNA op specifieke manieren reageerde op fysieke krachten - ofwel draaiend of buigend. Deze reactie kan worden gezien wanneer eiwitten binden aan DNA, legt Hwang uit. Wanneer eiwitten binden zonder veel energetische kosten, hebben ze de neiging om DNA te verdraaien, maar hoge-energetische binding resulteert in meer buiging van DNA, zegt Hwang.

Deze kleine reacties, Hwang merkt op, grote gevolgen kunnen hebben, vooral als het gaat om het gebruik van DNA als moleculaire bouwstenen voor nanoapparaten zoals medicijnafgiftesystemen en circuits in plasmonische apparaten. Het bouwen van ongelooflijk kleine maar geavanceerde apparaten is een belangrijk doel van nanotechnologie, en het doen met DNA is niet zo vergezocht als het klinkt. Gedurende de laatste jaren, onderzoekers hebben het genetische materiaal gebruikt om een ​​aantal nano-constructies te bouwen, vormgeven in verschillende driedimensionale vormen, zoals dozen die kunnen openen en sluiten. Het proces, bekend als DNA-origami, staat nog in de relatieve kinderschoenen, maar de informatie die door het model van Hwang wordt verstrekt, zou onderzoekers kunnen helpen bij het bouwen van meer geavanceerde constructies.

"Autorijden is één ding, maar het bouwen is iets anders; je draait de sleutel om en trapt op het gaspedaal, en de auto beweegt – u kunt hem gebruiken zonder dat u hoeft te weten wat er in de auto gebeurt, " zegt Hwang. "Maar om echt een betere auto te bouwen, je moet kennis hebben van de eigenschappen van de componenten en hoe ze in elkaar zitten. Hetzelfde geldt voor DNA, aangezien het nog steeds wordt gebruikt voor het bouwen van deze nanostructuren, en we bieden er een mechanisch specificatieblad voor aan via onze analyse."