Van de spanning van samentrekkende spiervezels tot hydrodynamische spanningen in stromend bloed, moleculen in ons lichaam zijn onderhevig aan een grote verscheidenheid aan mechanische krachten die hun vorm en functie direct beïnvloeden. Door de reacties van afzonderlijke moleculen te analyseren onder omstandigheden waarin ze dergelijke krachten ervaren, kunnen we een beter begrip krijgen van veel biologische processen, en mogelijk, nauwkeuriger werkende medicijnen te ontwikkelen. Maar tot nu toe was experimentele analyse van enkelvoudige molecuulinteracties onder dwang duur, vervelend en moeilijk uit te voeren omdat het gebruik van geavanceerde apparatuur vereist, zoals een atomic force microscoop of een optisch pincet, die slechts analyse van één molecuul tegelijk toestaan.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam onder leiding van Wesley Wong van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard en het Boston Children's Hospital heeft een grote vooruitgang geboekt door een goedkope methode te ontwikkelen waarmee de krachtreacties van duizenden vergelijkbare moleculen tegelijk kunnen worden geanalyseerd. Ze rapporteren in Natuurcommunicatie hoe programmeerbare DNA-nanoschakelaars kunnen worden gebruikt in combinatie met een nieuw ontworpen geminiaturiseerde Centrifuge Force Microscope (CFM) als een zeer betrouwbaar hulpmiddel om duizenden individuele moleculen en hun reacties op mechanische krachten parallel te observeren.

"Deze nieuwe gecombineerde benadering stelt ons en anderen in staat om te onderzoeken hoe complexen van afzonderlijke moleculen zich gedragen wanneer ze uit hun evenwicht worden gegooid door de afstembare kracht die wordt gegenereerd in onze nieuw ontworpen CFM. Door dit instrument te baseren op iets dat de meeste onderzoekers al hebben en gebruiken - de tafelcentrifuge - we hopen krachtmetingen van één molecuul voor bijna iedereen toegankelijk te maken, " zei Wong, doctoraat, die een Wyss Institute Associate Faculty-lid is en de senior auteur van de studie. Hij is ook assistent-professor aan de Harvard Medical School in de afdelingen Biologische Chemie &Moleculaire Farmacologie en Kindergeneeskunde, en onderzoeker in het programma in cellulaire en moleculaire geneeskunde in het Boston Children's Hospital.

Eerdere inspanningen onder leiding van Wong van het Rowland Institute in Harvard introduceerden de eerste CFM in 2010, dat was een zeer gespecialiseerd instrument dat precisiekrachtmetingen met hoge doorvoer uitvoerde op afzonderlijke moleculen door ze aan kralen te binden en eraan te trekken met behulp van centrifugale kracht. In zijn laatste CFM-iteratie, Wong en zijn team ontwikkelden een manier om dezelfde techniek met vergelijkbare precisie uit te voeren met behulp van een kleine goedkope microscoop gemaakt van eenvoudig te monteren elementen en 3D-geprinte onderdelen die in de zwaaiende emmer van een standaard tafelcentrifuge kunnen worden gestoken die in vrijwel alle biomedische onderzoekslaboratoria.

In aanvulling, het team verhoogde de robuustheid en nauwkeurigheid van de test door duizenden zogenaamde DNA-nanoschakelaars te integreren, lineaire DNA-strengen met paren op elkaar inwerkende moleculen die zijn geassocieerd met twee sequenties in hun midden en dat, in aanvulling op, door aan elkaar te binden creëer je een interne DNA-lus; de uiteinden van de nanoswitches zijn aan de ene kant vastgemaakt aan het oppervlak van het monster en aan de andere kant aan kralen.

"Door een bepaald bereik van middelpuntvliedende krachten op de kralen toe te passen, kunnen we de breuk veroorzaken van de moleculaire complexen die de lusvormige DNA-structuren genereren die zullen worden geregistreerd door de camera-gekoppelde lens. Belangrijk is dat het gebruik van DNA-nanoschakelaars als een stabiele steiger stelt ons in staat om dit proces meerdere keren te herhalen met hetzelfde molecuul in temperatuurgecontroleerde omstandigheden, wat onze nauwkeurigheid aanzienlijk verbetert bij het bepalen van de heterogeniteit die een enkele moleculaire interactie kan vertonen, " zei Darren Yang, de eerste auteur van de studie en een afgestudeerde student in het team van Wong.

In toekomstig onderzoek, Kraal-geassocieerde DNA-nanoschakelaars kunnen worden gebruikt om herhaaldelijk veel verschillende biomoleculaire complexen te assembleren en te verbreken en om de mechanische krachten te definiëren die ze beheersen. "De geïntegreerde DNA-nanoschakelaars zijn zeer modulair, en kan worden gefunctionaliseerd met veel verschillende biomoleculen in wezen een plug-and-play-manier, om een ​​grote verscheidenheid aan moleculaire interacties te bestuderen met een hoge doorvoer en betrouwbaarheid, " voegde Wong eraan toe.

Volgende, de Wyss-wetenschappers zijn van plan hun DNA nanoswitch-versterkte miniatuur CFM toe te passen op het onderzoek van geselecteerde biomedisch relevante en krachtafhankelijke moleculaire interacties, zoals eiwitinteracties die bloedstolling of gehoor regelen.

"Het team van Wong heeft een nieuw technologieplatform gecreëerd dat de kosten van analyse van de kracht van één molecuul aanzienlijk verlaagt en het breed toegankelijk maakt voor de wetenschappelijke gemeenschap. Naast het vergroten van ons begrip van fundamentele moleculaire structuur-functierelaties, het kan een waardevol hulpmiddel blijken te zijn voor de ontwikkeling van geneesmiddelen, " zei Donald Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de Harvard Medical School en het Vascular Biology-programma in het Boston Children's Hospital, en hoogleraar bio-engineering aan SEAS.