Fysiker från universitetet i Basel har utvecklat en ny metod för att undersöka elasticiteten och bindningsegenskaperna hos DNA -molekyler på en yta vid extremt låga temperaturer. Med en kombination av kryokraftspektroskopi och datasimuleringar, de kunde visa att DNA-molekyler beter sig som en kedja av små spiralfjädrar. Forskarna rapporterade sina fynd i Naturkommunikation .

DNA är inte bara ett populärt forskningsämne eftersom det innehåller ritningen för livet - det kan också användas för att producera små komponenter för tekniska tillämpningar. I en process som kallas DNA -origami, forskare kan manipulera det genetiska materialet på ett sådant sätt att veckning av DNA-strängarna skapar små två- och tredimensionella strukturer. Dessa kan användas, till exempel, som behållare för farmaceutiska ämnen, som ledande rör och som mycket känsliga sensorer.

Mätning vid låga temperaturer

För att kunna forma önskade former, det är viktigt att känna till strukturen, elasticiteten och bindningskrafterna hos de DNA -komponenter som används. Dessa fysiska parametrar kan inte mätas vid rumstemperatur, eftersom molekylerna hela tiden är i rörelse.

Detsamma gäller inte vid låga temperaturer:teamet som leds av professor Ernst Meyer från Swiss Nanoscience Institute och University of Basels fysiska institution har nu använt kryokraftmikroskopi för första gången för att karakterisera DNA-molekyler och undersöka deras bindande krafter och elasticitet.

Fristående bit för bit

Forskarna placerade bara några nanometer långa DNA-strängar innehållande 20-cytosinnukleotider på en guldyta. Vid en temperatur på 5 Kelvin, ena änden av DNA -strängen drogs sedan uppåt med spetsen av ett atomkraftmikroskop. I processen, de enskilda komponenterna i strängen befriade sig från ytan lite efter lite. Detta gjorde det möjligt för fysikerna att registrera sin elasticitet såväl som de krafter som krävdes för att lossa DNA-molekylerna från guldytan.

"Ju längre den lossnade biten av DNA, ju mjukare och mer elastiskt DNA -segmentet blir, "förklarar huvudförfattaren Dr. Rémy Pawlak. Detta beror på att de enskilda komponenterna i DNA:t beter sig som en kedja av flera spiralfjädrar anslutna till varandra. Tack vare mätningarna, forskarna kunde bestämma fjäderkonstanten för de enskilda DNA-komponenterna.

Datorsimuleringar klargör att DNA:t lossnar diskontinuerligt från ytan. Detta beror på att bindningar bryts upp mellan cytosinbaserna och DNA-ryggraden från guldytan, och deras abrupta rörelser över guldytan. De teoretiska elasticitetsvärdena korrelerar mycket nära med experimenten och bekräftar modellen av seriellt arrangerade fjädrar.

Ögonblicksbilder ger insikt

Studierna bekräftar att kryokraftspektroskopi är mycket väl lämpad för att undersöka krafterna, elasticitet och bindningsegenskaper hos DNA-strängar på ytor vid låga temperaturer.

"Som med kryogen elektronmikroskopi, vi tar en ögonblicksbild med kryokraftspektroskopi, vilket ger oss en inblick i egenskaperna hos DNA, " förklarar Meyer. "I framtiden, vi kan också använda skanningssondmikroskopbilder för att bestämma nukleotidsekvenser. "