(Phys.org)—På 1960-talet, Nobelpristagaren Pierre-Gilles de Gennes postulerade att forskare en dag skulle kunna testa hans teorier om polymernätverk genom att observera enstaka molekyler. Forskare vid Brown observerade enstaka DNA-molekyler som dras genom nanoporer av elektrisk ström och kom på varför de oftast reser med huvudet först.

Om du vill förstå en roman, det hjälper att börja från början snarare än att försöka plocka upp handlingen någonstans i mitten. Detsamma gäller för att analysera en DNA-sträng. Det bästa sättet att förstå det är att titta på det rakt mot svans.

Lyckligtvis, enligt en ny studie av fysiker vid Brown University, DNA-molekyler har en bekväm tendens att samarbeta.

Forskningen, publiceras i tidskriften Fysiska granskningsbrev , tittar på dynamiken i hur DNA-molekyler fångas upp av nanoporer i fast tillstånd, små hål som snart kan hjälpa sekvensera DNA blixtsnabbt. Studien fann att när en DNA-sträng fångas och dras genom en nanopor, det är mycket mer sannolikt att resan börjar vid en av dess ändar, snarare än att gripas någonstans i mitten och dras igenom i en vikt konfiguration.

"Vi tror att detta är ett viktigt framsteg för att förstå hur DNA-molekyler interagerar med dessa nanoporer, sa Derek Stein, biträdande professor i fysik vid Brown, som utförde forskningen med doktoranderna Mirna Mihovilivic och Nick Haggerty. "Om du vill göra sekvensering eller någon annan analys, du vill att molekylen går genom porhuvudet till svansen."

Forskning om DNA-sekvensering med nanoporer startade för lite över 15 år sedan. Konceptet är ganska enkelt. Ett litet hål, några miljarddels meter i diameter, är petad i en barriär som skiljer två pooler saltvatten åt. En elektrisk ström appliceras över hålet, som ibland lockar till sig en DNA-molekyl som flyter i vattnet. När det händer, molekylen vispas genom poren på en bråkdel av en sekund. Forskare kan sedan använda sensorer på poren eller andra metoder för att identifiera nukleotidbaser, byggstenarna i den genetiska koden.

Tekniken går snabbt framåt, och de första nanopore-sekvenseringsenheterna förväntas finnas på marknaden mycket snart. Men det finns fortfarande grundläggande frågor om hur molekyler beter sig i det ögonblick de fångas och innan.

"Vad molekylerna gjorde innan de fångades var ett mysterium och en fråga om spekulationer, ", sa Stein. "Och vi skulle vilja veta för om du försöker konstruera något för att kontrollera den molekylen - för att få den att göra vad du vill att den ska göra - så måste du veta vad den går ut på."

För att ta reda på vad dessa molekyler håller på med, forskarna spårade noggrant över 1, 000 fall av en molekyl som glider genom en nanopor. Den elektriska strömmen genom poren ger en signal om hur molekylen gick igenom. Molekyler som går igenom mitten måste först vikas över för att passera. Den vikta konfigurationen tar upp mer utrymme i poren och blockerar mer av strömmen. Så genom att titta på skillnader i strömmen, Stein och hans team kunde räkna hur många molekyler som gick igenom huvudet först och hur många som började någonstans i mitten.

Studien fann att molekyler är flera gånger mer benägna att fångas vid eller mycket nära slutet än vid någon annan enskild punkt längs molekylen.

"Vad vi fann var att ändar är speciella platser, " sa Stein. "Mittan är annorlunda än ett slut, och det har en konsekvens för sannolikheten för att en molekyl börjar sin resa från slutet eller mitten."

Alltid plats för Jell-O

Som det visar sig, det finns en gammal teori som förklarar dessa nya experimentella resultat ganska bra. Det är teorin om Jell-O.

Jell-O är ett polymernätverk - en massa snirkliga polymersträngar som fäster vid varandra vid slumpmässiga korsningar. De snirkliga trådarna är anledningen till att Jell-O är en jiggly, Halvfast. Sättet på vilket polymersträngarna ansluter till varandra är inte olikt hur en DNA-sträng ansluter till en nanopor i det ögonblick den fångas. I vatten, DNA-molekyler är ihopblandade i slumpmässiga virvlar ungefär som gelatinmolekylerna i Jell-O.

"Det finns en kraftfull teori som beskriver hur många sätt polymererna i Jell-O kan ordna och fästa sig själva på, " sa Stein. "Det visar sig vara perfekt tillämpligt på problemet med var dessa DNA-molekyler fångas av en nanopor."

När den appliceras på DNA, Jell-O-teorin förutspår att om du skulle räkna upp alla möjliga konfigurationer av en DNA-sträng i ögonblicket för fångst, du skulle upptäcka att det finns fler konfigurationer där det fångas av dess ände, jämfört med andra punkter längs stranden. Det är lite som oddsen att få ett par i poker jämfört med oddsen att få tre lika. Det är mer sannolikt att du får ett par bara för att det finns fler par i kortleken än det finns tripplar.

Detta mått på alla möjliga konfigurationer – ett mått på vad fysiker refererar till som molekylens entropi – är allt som behövs för att förklara varför DNA tenderar att gå huvudet först. Vissa forskare hade spekulerat i att det kanske är mindre sannolikt att trådar går igenom i mitten eftersom att vika dem på mitten skulle kräva extra energi. Men den hopfällbara energin verkar inte spela någon roll alls. Som Stein uttrycker det, "Antalet sätt som en molekyl kan hitta sig själv med att huvudet sticker i poren är helt enkelt större än antalet sätt som den kan hitta sig själv med att mitten rör vid poren."

Dessa teorier om polymernätverk har faktiskt funnits ett tag. De föreslogs först av den avlidne nobelpristagaren Pierre-Gilles de Gennes på 1960-talet, och Bertrand Duplantier gjorde viktiga framsteg på 1980-talet. Mihovilivic, Steins doktorand och huvudförfattaren till denna studie, säger att detta faktiskt är ett av de första labbtesterna av dessa teorier.

"De kunde inte testas förrän nu, när vi faktiskt kan göra enstaka molekylmätningar, " sa hon. "[De Gennes] postulerade att det en dag skulle vara möjligt att testa detta. Jag tror att han skulle ha varit väldigt exalterad över att se det hända."