DNA är inte bara livets plan, det har blivit ryggraden för att göra små strukturer som kan sättas in i människokroppen för att diagnostisera och behandla sjukdomar. Särskilt, forskare siktar på en teknik som kallas DNA origami, där de noggrant monterar hundratals DNA -strängar för att bygga en Lilliputian -samling av strukturer som kan innehålla behållare för läkemedelsleverans, biosensorer och andra biokompatibla enheter.

I ansträngningar som lovar att dramatiskt förbättra denna process, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har nu hittat ett sätt att avsevärt öka noggrannheten hos nyckelinformation om hur värme påverkar stabiliteten hos vikta DNA -strukturer.

För att fungera pålitligt, dessa strukturer, bara några tiotals nanometer (miljarddels meter) i längd, måste utformas noggrant i ordning, till exempel, att leverera läkemedel till specifika mål. Men krafterna-vätebindningar-som binder bitar av DNA tillsammans för att bilda den välkända dubbelhelixen beror på både temperaturen och deras lokala miljö.

För att avgöra hur olika DNA -delar reagerar på temperaturförändringar, forskare förlitar sig på en serie mätningar som bildar en graf som kallas DNA -smältkurvan. Kurvan avslöjar, till exempel, temperaturen vid vilken halva strängen har "smält, "eller unraveled. Det visar också mängden värme strängarna måste absorbera för att höja temperaturen med en grad C. Genom att avslöja dessa och andra termiska egenskaper hos trådarna, kurvan ger forskare kunskapen att utforma hållbara, mer komplexa strukturer gjorda av DNA.

Lika viktigt som DNA -smältkurvan är, det finns fortfarande ett långvarigt problem med att noggrant mäta det. På grund av bakgrundseffekter och okända variationskällor, dussintals identiska DNA -prover kommer att ha olika smältkurvor, begränsar forskarnas förmåga att extrahera meningsfull information.

NIST -forskarna har utformat en ny matematisk algoritm som automatiskt står för dessa okända effekter, tillåter forskare att dra full nytta av smältkurvan.

Som forskare som har studerat flera sätt att perfekta DNA -origami, NIST -forskarna Jacob Majikes och Alex Liddle var alltför bekanta med de felaktigheter som plågar DNA -smältkurvan. I princip, om de och andra forskare exakt kunde återge alla laboratorieförhållanden under vilka de mätte kurvan, osäkerheterna kan minskas.

Men med tanke på de små mängder DNA i experimenten - inte större än en vattendroppe - var det svårt att göra i praktiken. Så Majikes och Liddle tog kontakt med en NIST -matematiker, Anthony Kearsley, och hans medarbetare, NIST -fysikern Paul Patrone, i hopp om att hitta en matematisk lösning.

För Kearsley och Patrone, utmaningen var oemotståndlig:Den sanna DNA -smältkurvan doldes i varje uppsättning mätningar; utmaningen var att hitta ett sätt att avslöja det. Ingen känd matematisk teori beskriver fullständigt smältkurvan, så forskarna var tvungna att räkna ut ett sätt att ta bort osäkerheterna i smältkurvan med enbart experimentella data. Med så lite information, det innebar att de var tvungna att vara kreativa.

När du letar efter en algoritm som skulle lösa detta problem, laget insåg att snedvridningarna av de verkliga DNA -smältkurvorna uppträdde på ett enkelt sätt. Det är, snedvridningarna var besläktade med en speciell typ av funhouse -spegel - en som bevarade det relativa avståndet mellan datapunkter även när det dragit ihop eller expanderat kurvan, och det gjorde att parallella linjer kunde förbli parallella. För att försöka korrigera dessa effekter, forskarna tillämpade ett matematiskt verktyg som kallas en affin transformation.

Kearsley och Patrone letade efter en viss affin transformation - en som fick varje dataset att överensstämma med alla andra, så att de i princip skulle se likadana ut. Men för att hitta den transformationen, med hjälp av en teknik som kallas begränsad optimering, forskarna var tvungna att gå bort från svarta tavlan och fördjupa sig i mekaniken i DNA -laboratoriet.

Varken Kearsley eller Patrone hade ens hört talas om DNA -origami, än mindre de mätningar som krävs för att montera smältkurvan. De ställde dussintals frågor om varje komponent i nanoskalaexperimentet, bestämma vilka delar som var viktiga att modellera och vilka som var irrelevanta. Efter veckor med teoretiska beräkningar, Patrone fick sin första chans att se själva experimentet. Han betraktade förvånat laboratoriet, med sin 8x12 -uppsättning av 96 små brunnar, var och en innehåller exakt samma sekvens av DNA från vilket Majikes och Liddle hade registrerat 96 olika DNA -smältkurvor.

Beväpnad med mer än tillräckligt med laboratoriedata, Kearsley och Patrone utarbetade optimeringsproblemet som de trodde skulle fungera bäst för att ta bort felen. Sedan tillämpade de algoritmen på var och en av de 96 kurvorna och såg vad som hände.

På en datorskärm, mängden kurvor, förvrängda på olika sätt, blev oskiljbar, var och en spårar ut samma form, höjd och slutpunkter. De 96 kurvorna hade kollapsat för att bli en enda DNA -smältkurva.

"Vi var övertygade om att vi hade löst problemet, "sade Kearsley. Forskarna rapporterar sina fynd i volym 607 av Analytisk biokemi .

Forskare har använt DNA-origami för att tillverka nanoroboter som utför datoroperationer och förprogrammerade uppgifter i levande organismer. De har också litat på DNA -origami för att skapa miniatyrmedicinska leveransbehållare som bara öppnas när de identifierar och fäster vid infekterade celler.

Teamet sprider nu ordet om framgången för deras lösning, varna forskare som utför DNA -origami att det är möjligt att noggrant mäta smältkurvan och styra tillväxten av DNA -origami -strukturer. Lika viktigt, sa Patrone, samma teknik kan tillämpas på andra biofysiska problem där de sanna data döljs av liknande typer av fel. Forskarna studerar hur man kan förbättra noggrannheten i experiment där mänskliga celler flödar genom små cancerjaktdetektorer.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.