Macromoleculen vouwen en ontvouwen zichzelf regelmatig in cellen. Hun diverse driedimensionale structuren helpen bij het bepalen van hun functies. Het begrijpen van het vouwen van moleculen kan licht werpen op complexe fysieke processen die ziekten kunnen beïnvloeden, kanker en allergieën.

G-quadruplexen zijn groepen guanine-nucleïnezuren, de 'G's in de DNA-sequentie, die specifieke vormen vormen die er futuristisch uitzien, kantoorgebouwen van drie verdiepingen. Ze werden lang afgedaan omdat ze geen biologische functie hadden, maar men denkt nu dat ze helpen bij het reguleren van genexpressie, ook voor ziekten. Het begrijpen van de fysieke processen die deze verbindingen ondergaan wanneer ze in extra krappe ruimtes worden gevouwen, kan op een dag helpen bij het ontwikkelen van medicamenteuze behandelingen die zich op hen richten.

Het uitvoeren van experimenten om meer te weten te komen over het vouwproces in besloten ruimtes is een enorme uitdaging omdat het gemakkelijk is om niet alleen het doelmolecuul te verstoren, die slechts enkele nanometers lang is, maar ook de omliggende infrastructuur, die net een fractie groter is.

Een team onder leiding van Hiroshi Sugiyama en Masayuki Endo van het Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) van de Universiteit van Kyoto, in samenwerking met het team van de Kent State University, ontwierp structuren en een experimenteel systeem dat met succes G-quadruplexen in nanokooien manipuleert, die ook van DNA zijn gemaakt. Het team heeft gemeten hoe ruimtes van verschillende grootte de thermodynamische stabiliteit en de ontvouwings- en vouwkinetiek van deze moleculen beïnvloeden.

"Onder de besloten nano-ruimte, de G-quadruplex-structuren onthulden ongekende snelle vouwkinetiek met verhoogde mechanische en thermodynamische stabiliteiten, die direct theoretische voorspellingen ondersteunden, " concluderen de onderzoekers in hun onderzoek dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd: Natuur Nanotechnologie .

De onderzoekers bouwden rechthoekige nanokooien uit DNA die ze om een ​​G-quadruplex-molecuul wikkelden. Tethers gemaakt van nog meer DNA bevestigden het molecuul aan twee kralen. de kralen, gecontroleerd door lasers die bekend staan ​​als optische pincetten, kracht uitoefent op het molecuul. Dit zorgde ervoor dat het molecuul zich ontvouwde en vervolgens weer opvouwde. Er was geen interferentie tussen de nanokooi en het doelwit, omdat ze allebei een negatieve lading hebben en elkaar afstoten als magneten.

Het team bouwde kleine, middelgrote en grote nanokooien. De moleculen ontvouwden en hervouwden 100 keer sneller in de kleine en middelgrote nanokooien in vergelijking met moleculen zonder nanokooien.

De bevindingen ondersteunen voorspellingen van andere onderzoekers in het veld, maar dit is de eerste demonstratie zonder interactie tussen het molecuul en de kooi. De onderzoekers verwachten dat de methode kan worden toegepast voor observatie van andere biomoleculen, zoals eiwitten, met behulp van nauwkeuriger ontworpen nanokooien.