En avancerad bildteknik avslöjar nya strukturella detaljer om S-DNA, stege-liknande DNA som bildas när molekylen upplever extrem spänning. Detta arbete utfört vid Sandia National Laboratories och Vrije University i Nederländerna ger det första experimentella beviset på att S-DNA innehåller starkt lutande baspar.

Den förutsägbara parningen och staplingen av DNA-baspar hjälper till att definiera molekylens dubbel-spiralformade form. Att förstå hur basparen anpassar sig när DNA sträcks kan ge insikt i en rad biologiska processer och förbättra designen och prestandan för nanodatorer som är byggda med DNA. Tiltade baspar i sträckt S-DNA har tidigare förutspåtts med hjälp av datorsimuleringar, men aldrig klart visat i experiment förrän nu, enligt en ny artikel i Science Advances.

DNA är mest känt som den molekylära bäraren av genetisk information. Dock, i forskningslabb runt om i världen, det har också en annan användning:konstruktionsmaterial för nanoskala enheter. Att göra detta, forskare förbereder datorgenererade sekvenser av enkelsträngat DNA så att vissa sektioner bildar baspar med andra sektioner. Detta tvingar strängen att böja och vika som origami. Forskare har använt denna princip för att vika DNA till mikroskopiska smileys, nanomaskiner med rörliga gångjärn och kolvar och "smarta" material som spontant anpassar sig till förändringar i den omgivande kemiska miljön.

"Att bygga ett flygplan eller en bro, det är viktigt att känna till strukturen, styrka och töjbarhet av varje material som gick in i den, sa Adam Backer, en optisk vetenskapsman vid Sandia och huvudförfattare till studien. "Samma sak är sant när man designar nanostrukturer med DNA."

Medan mycket är känt om de mekaniska egenskaperna hos DNA:s dubbla helix, mysterier kvarstår om detaljerna i dess form när molekylen sträcks i ett laboratorium för att bilda den stege-liknande strukturen av S-DNA. Standardsätt att visualisera DNA-struktur kan inte spåra strukturella förändringar medan molekylen vrider sig.

Att se sträckt DNA

För att karakterisera strukturen och töjbarheten av S-DNA, Backer arbetade med kollegor i forskargruppen Physics of Living Systems vid LaserLaB Amsterdam vid Vrije University. Forskarna beskrev sin process i tidningsartikeln. Med hjälp av instrument som utvecklats av hans kollegor, Backer fäst först en mikroskopisk pärla i varje ände av en kort bit viralt DNA. Dessa pärlor fungerade som handtag för att manipulera en enda molekyl av DNA.

Nästa, forskarna fångade det pärlformade DNA:t i en smal vätskefylld kammare med hjälp av två tätt fokuserade laserstrålar. Eftersom pärlorna förblir fångade inuti laserstrålarna, forskarna kunde flytta pärlorna i kammaren genom att omdirigera laserstrålarna. Detta gjorde det möjligt för dem att sträcka det fästa DNA:t för att bilda S-DNA. Denna teknik för att manipulera mikroskopiska partiklar, kallas optisk pincett, gav också exakt kontroll över mängden sträckkraft som applicerades på en enskild DNA-molekyl.

Dock, de strukturella förändringarna som inträffade inom den sträckta DNA-molekylen var för små för att direkt kunna observeras med ett standardoptiskt mikroskop. För att hantera denna utmaning, Backer hjälpte sina kollegor att kombinera en avbildningsmetod som kallas fluorescenspolarisationsmikroskopi med det optiska pincettinstrumentet. Först, de tillade små, stavliknande fluorescerande färgämnesmolekyler till lösningen innehållande optiskt fångat DNA. I osträckt DNA, färgämnesmolekylerna klämmer sig in mellan närliggande uppsättningar av baspar och riktar sig vinkelrätt mot den dubbla helixens centrala axel. Om en sträckande kraft får DNA-basparen att luta, färgämnena skulle också luta.

Nästa, forskarna använde fluorescerande signaler från färgämnena för att avgöra om basparna i sträckt DNA lutade. De fluorescerande färgämnena avger grönt fluorescerande ljus när de interagerar med ljusvågor från en laserstråle som pekar längs samma axel som färgämnesmolekylerna. Forskarna ändrade orienteringen av ljusvågorna genom att rotera polarisationen av en laserstråle genom olika vinklar. Sedan, de sträckte ut DNA:t och såg efter att gröna fluorescerande signaler dök upp under mikroskopet. Från dessa mätningar, och beräkningsmetoder utvecklade på Sandia, forskarna bestämde att färgämnena, och därmed basparen, inriktad i en 54-graders vinkel i förhållande till DNA:s centrala axel.

"Detta experiment ger de mest direkta bevisen hittills som stödjer hypotesen att S-DNA innehåller lutade baspar, ", sa Backer. "För att få denna fundamentalt nya förståelse av DNA, det var nödvändigt att kombinera ett antal banbrytande teknologier och föra forskare från en rad olika tekniska discipliner samman för att arbeta mot ett gemensamt mål."

Det finns utbredda spekulationer bland forskare om att strukturer som liknar S-DNA kan bildas under mänskliga cellers dagliga aktiviteter, men, för närvarande, det biologiska syftet med S-DNA är fortfarande okänt. S-DNA kan underlätta reparationen av skadat eller trasigt DNA, hjälper till att skydda mot celldöd och cancer. Backer hoppas att denna tydligare förståelse av de fysikaliska principerna som styr DNA-deformation kommer att vägleda ytterligare forskning om S-DNA:s roll i celler.

När Backer började på Sandia som Truman -stipendiat i november 2016, han hade möjlighet att starta ett oberoende forskningsprogram av sin egen design. Han hade utvecklat en metod för polarisationsmikroskopi under forskarskolan vid Stanford University och trodde att tekniken hade potential. Sa Backer:"På Sandia ville jag driva den här tekniken så långt det kunde gå. Det faktum att detta arbete har lett till resultat med potentiell relevans för områden som biologi och nanoteknik har varit extraordinärt."