Precis som vilken lång polymerkedja som helst, DNA tenderar att bilda knutar. Med hjälp av teknik som gör att de kan sträcka DNA -molekyler och avbilda beteendet hos dessa knutar, MIT -forskare har upptäckt, för första gången, de faktorer som avgör om en knut rör sig längs strängen eller "fastnar" på plats.

"Människor som studerar polymerfysik har föreslagit att knutar kan fastna, men det har inte funnits bra modellsystem för att testa det, "säger Patrick Doyle, Robert T. Haslam professor i kemiteknik och seniorförfattare till studien. "Vi visade att samma knut kunde gå från att vara fastklämd till att vara mobil längs samma molekyl. Du ändrar förhållanden och det slutar plötsligt, och byt dem sedan igen och det rör sig plötsligt. "

Resultaten kan hjälpa forskare att utveckla sätt att lossa DNA -knutar, vilket skulle hjälpa till att förbättra noggrannheten hos vissa genom -sekvenseringstekniker, eller för att främja knutbildning. Att framkalla knutbildning kan förbättra vissa typer av sekvensering genom att bromsa DNA -molekylernas passage genom systemet, säger forskarna.

MIT postdoc Alexander Klotz är den första författaren till tidningen, som visas i 3 maj -numret av Fysiska granskningsbrev .

Knutar i rörelse

Doyle och hans studenter har studerat fysiken för polymerknutar som DNA i många år. DNA är väl lämpad för sådana studier eftersom det är en relativt stor molekyl, gör det enkelt att avbilda med ett mikroskop, och det kan lätt induceras att bilda knutar.

"Vi har en mekanism som får DNA -molekyler att kollapsa till en liten boll, som när vi sträcker ut innehåller mycket stora knutar, "Säger Klotz." Det är som att stoppa hörlurarna i fickan och dra ut dem fulla av knutar. "

När knutarna bildas, forskarna kan studera dem med ett speciellt mikrofluidsystem som de designade. Kanalen är formad som ett T, med ett elektriskt fält som divergerar på toppen av T. En DNA -molekyl som finns på toppen av T kommer att dras lika mot varje arm, tvingar den att stanna kvar.

MIT -teamet fann att de kunde manipulera knutar i dessa fästa DNA -molekyler genom att variera styrkan hos det elektriska fältet. När fältet är svagt, knutar tenderar att röra sig längs molekylen mot den närmare änden. När de når slutet, de avvecklar.

"När spänningen inte är för stark, de ser ut som om de rör sig slumpmässigt. Men om du tittar på dem tillräckligt länge, de tenderar att röra sig i en riktning, mot molekylens närmaste ände, Säger Klotz.

När fältet är starkare, tvingar DNA:t att sträcka ut sig helt, knutarna fastnar på plats. Detta fenomen liknar det som händer med en knut i ett pärlhalsband när halsbandet dras tätare, säger forskarna. När halsbandet är slappt, en knut kan röra sig längs den, men när den dras spänd, halsbandets pärlor kommer närmare varandra och knuten fastnar.

"När du stramar knuten genom att sträcka DNA -molekylen mer, det för strängarna närmare varandra, och detta ökar friktionen, "Säger Klotz." Det kan överväldiga drivkraften som orsakas av det elektriska fältet. "

Knutborttagning

DNA -knutar förekommer också i levande celler, men celler har specialiserade enzymer som kallas topoisomeraser som kan avlägsna sådana knutar. MIT -teamets resultat tyder på ett möjligt sätt att ta bort knutar från DNA utanför cellerna relativt enkelt genom att applicera ett elektriskt fält tills knutarna färdas hela vägen till molekylens ände.

Detta kan vara användbart för en typ av DNA -sekvensering som kallas nanokanalmappning, vilket innebär att man sträcker DNA längs ett smalt rör och mäter avståndet mellan två genetiska sekvenser. Denna teknik används för att avslöja storskaliga genomförändringar som genduplicering eller gener som rör sig från en kromosom till en annan, men knutar i DNA:t kan göra det svårare att få korrekta uppgifter.

För en annan typ av DNA -sekvensering känd som nanoporesekvensering, det kan vara fördelaktigt att framkalla knutar i DNA eftersom knutarna får molekylerna att sakta ner när de färdas genom sekvensen. Detta kan hjälpa forskare att få mer exakt sekvensinformation.

Att använda detta tillvägagångssätt för att ta bort knutar från andra typer av polymerer, t.ex. de som används för att tillverka plast, kan också vara användbart, eftersom knutar kan försvaga material.

Forskarna studerar nu andra fenomen relaterade till knutar, inklusive processen att lösa upp mer komplexa knutar än de de studerade i denna uppsats, samt interaktionerna mellan två knop i en molekyl.