In een nieuwe studie hebben onderzoekers van het Department of Biochemistry van het Indian Institute of Science (IISc) een nieuwe beeldvormingstechniek gebruikt om vast te stellen hoe sterk aangrenzende basen (de bouwstenen van DNA) zich in één streng op elkaar stapelen. . De bevindingen openen mogelijkheden voor het bouwen van complexe DNA-nanoapparaten en het ontrafelen van fundamentele aspecten van de DNA-structuur.

Achter het naadloze functioneren van elke levende cel schuilt DNA – het erfelijke voertuig dat informatie draagt ​​voor de groei, het functioneren en de voortplanting ervan. Elke DNA-streng bestaat gewoonlijk uit vier nucleotidebasen:adenine (A), guanine (G), thymine (T) en cytosine (C). De basen op één streng paren met die op de tegenovergestelde streng om het dubbelstrengige DNA te vormen (A-paren met T en G-paren met C).

Twee soorten interacties stabiliseren de dubbele helixstructuur van DNA. Het vormen van basenparen – de interactie tussen basen op tegenovergestelde strengen – is algemeen bekend, terwijl het stapelen van basen – de interactie tussen basen in dezelfde streng – niet erg goed is bestudeerd. Stel je een ritssluiting voor waarbij het koppelen van de bases lijkt op de ritssluiting die de twee strengen bij elkaar houdt, terwijl het stapelen van de bases werkt als de tanden van de rits, waardoor een strakke en veilige verbinding wordt gegarandeerd.

Basenstapelende interacties zijn doorgaans sterker dan basenparen, zegt Mahipal Ganji, assistent-professor bij de afdeling Biochemie, IISc, en corresponderend auteur van het artikel gepubliceerd in Nature Nanotechnology .

Om alle 16 mogelijke basisstapelcombinaties te bestuderen, gebruikten de onderzoekers DNA-PAINT (Point Accumulation in Nanoscale Topography). DNA-PAINT is een beeldvormingstechniek die werkt op basis van het principe dat twee kunstmatig ontworpen DNA-strengen (elk eindigend op een andere base) wanneer ze bij kamertemperatuur in een bufferoplossing worden samengevoegd, gedurende een zeer korte tijd willekeurig aan elkaar zullen binden en ontbinden. .

Het team heeft een van de strengen (imager-streng) gelabeld met een fluorofoor die tijdens het binden licht zou uitstralen en testte de stapeling van deze streng op een andere gekoppelde streng. Het binden en ontbinden van verschillende strengcombinaties (gebaseerd op de eindbases) werd vastgelegd als beelden onder een fluorescentiemicroscoop.

De tijd die nodig was voor het binden en ontbinden van de strengen bleek toe te nemen als de interactie tussen de gestapelde basen sterk was, legt Abhinav Banerjee, eerste auteur en Ph.D. student aan de afdeling Biochemie. Daarom bouwden de onderzoekers, met behulp van de gegevens verkregen uit DNA-PAINT, een model dat de timing van binding en ontbinding koppelde aan de sterkte van de interactie tussen de gestapelde basen.

Met behulp van deze techniek kon het team interessante inzichten in base-stacking ontdekken. Het toevoegen van nog één base-stapeling-interactie aan een DNA-streng lijkt bijvoorbeeld de stabiliteit ervan tot 250 keer te vergroten. Ze ontdekten ook dat elk nucleotidepaar zijn eigen unieke stapelsterkte had. Deze informatie stelde het team in staat een zeer efficiënte driearmige DNA-nanostructuur te ontwerpen die mogelijk in een veelvlakvormig voertuig zou kunnen worden ingebouwd voor biomedische toepassingen, zoals het richten op specifieke ziektemarkers en het leveren van gerichte therapieën.

De onderzoekers werken ook aan het verbeteren van de techniek van DNA-PAINT zelf. Banerjee zegt dat ze, gebruikmakend van stapelinteracties, van plan zijn nieuwe sondes te ontwerpen die de potentiële toepassingen van DNA-PAINT zouden uitbreiden.

Bovendien heeft het onderzoek volgens de wetenschappers bredere toepassingen dan beeldvorming en nanotechnologie. Ganji hoopt dat deze bevindingen kunnen worden gebruikt om fundamentele eigenschappen van enkel- en dubbelstrengs DNA te bestuderen, wat op zijn beurt licht kan werpen op DNA-reparatiemechanismen, waarvan het falen leidt tot veel ziekten, waaronder kanker.

Meer informatie: Banerjee A, Anand M, Kalita S, Ganji M, Analyse van één molecuul van DNA-base-stapelende energie met behulp van DNA-nanostructuren met patroon, Natuurnanotechnologie (2023). www.nature.com/articles/s41565-023-01485-1

Journaalinformatie: Natuurnanotechnologie

Aangeboden door Indian Institute of Science