Onderzoekers hebben een nieuw type 'superresolutie'-microscopie geïntroduceerd en deze gebruikt om het precieze loopmechanisme te ontdekken achter kleine structuren gemaakt van DNA die biomedische en industriële toepassingen zouden kunnen vinden.

De onderzoekers toonden ook aan hoe de "DNA-walker" een geneesmiddel tegen kanker kan afgeven, die een potentiële nieuwe biomedische technologie vertegenwoordigen, zei Jong Hyun Choi, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Purdue University.

Synthetische nanomotoren en rollators zijn ingewikkeld ontworpen systemen die chemische energie uit de omgeving halen en omzetten in mechanische beweging. Echter, omdat ze te klein zijn om te worden waargenomen met conventionele lichtmicroscopen, onderzoekers zijn niet in staat geweest om de precieze stappen te leren die betrokken zijn bij de loopmechanismen, kennis die essentieel is voor het perfectioneren van de technologie.

"Als je deze wandelaars niet in actie kunt oplossen of volgen, je zult hun mechanische werking niet kunnen begrijpen, ' zei Choi.

Hij leidde een Purdue-team dat dit probleem heeft opgelost door een superresolutiemicroscopiesysteem te ontwikkelen dat is ontworpen om de DNA-wandelaars te bestuderen. De nieuwe bevindingen verschenen in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang op 20 januari.

Onderzoekers over de hele wereld maken synthetische motoren op basis van DNA en RNA, de genetische materialen in cellen die bestaan ​​uit een opeenvolging van vier chemische basen:adenine, guanine, cytosine en thymine. De ontwerpen zijn geïnspireerd op natuurlijke biologische motoren die zijn geëvolueerd om specifieke taken uit te voeren die cruciaal zijn voor de functie van cellen.

De Purdue-onderzoekers hebben een DNA-loopsysteem ontworpen dat bestaat uit een enzymatische kern en twee armen. De wandelaar reist langs een koolstof-nanobuisspoor dat "versierd" is met strengen RNA. De enzymatische kern splitst segmenten van deze RNA-strengen af ​​terwijl de wandelaar continu naar voren beweegt, binding aan en het oogsten van energie uit het RNA. De rollator beweegt in een cyclus van zes stappen die wordt herhaald zolang er RNA-brandstof is.

Een fluorescerend nanodeeltje is bevestigd aan één arm van de DNA-walker, waardoor het gloeit wanneer het wordt blootgesteld aan licht in het zichtbare deel van het spectrum. Het koolstof-nanobuisspoor fluoresceert ook wanneer het wordt blootgesteld aan licht in een deel van het nabij-infraroodspectrum. Omdat het nieuwe microscopiesysteem met superresolutie werkt in zowel het zichtbare als het nabij-infraroodspectra, het is mogelijk om het loopmechanisme te volgen.

De superresolutietechnologie stelt onderzoekers in staat structurele kenmerken op te lossen die veel kleiner zijn dan de golflengte van zichtbaar licht, wat normaal gesproken moeilijk is met conventionele microscopen vanwege de Abbe-diffractielimiet, vastgesteld door natuurkundige Ernst Abbe in 1873. De limiet is ongeveer 250 nanometer, die groot is in vergelijking met de kleine wandelaars, met een lengte van ongeveer 5 nanometer.

Als de DNA-walker wordt blootgesteld aan laserlicht, het nanodeeltje en nanobuisje knipperen willekeurig aan en uit. Deze flitsen worden vastgelegd als talrijke fluorescerende stippen in duizenden beeldframes. Deze verzameling punten wordt vervolgens gebruikt om de precieze beweging van de wandelaar te reconstrueren, die beweegt in een cyclus van zes stappen waarbij delen van de RNA-streng worden gesplitst en de energie ervan wordt geoogst voordat naar de volgende streng wordt gegaan.

Bevindingen onthulden dat drie primaire stappen dit loopmechanisme domineren.

"Dus, als je deze drie stappen binnen deze loopcyclus kunt beheersen, dan kun je deze wandelaars echt bestuderen en beter beheersen, " zei Choi. "Je kunt ze versnellen, je kunt ze laten stoppen en in verschillende richtingen bewegen."

Terwijl het voorheen 20 uur of langer zou hebben geduurd om een ​​volledige loopcyclus te bestuderen, de nieuwe aanpak versnelt het proces tot ongeveer een minuut.