(Phys.org) – När forskare från Illinois gav sig i kast med att undersöka en metod för att kontrollera hur DNA rör sig genom en liten sekvenseringsenhet, de visste inte att de skulle bevittna en uppvisning av molekylär gymnastik.

Snabb, exakt och prisvärd DNA-sekvensering är det första steget mot personlig medicin. Att trä en DNA-molekyl genom ett litet hål, kallas en nanopor, i ett ark grafen tillåter forskare att läsa DNA-sekvensen; dock, de har begränsad kontroll över hur snabbt DNA:t rör sig genom poren. I en ny studie publicerad i tidskriften Naturkommunikation , University of Illinois fysikprofessor Aleksei Aksimentiev och doktorand Manish Shankla applicerade en elektrisk laddning på grafenarket, hoppas att DNA:t skulle reagera på laddningen på ett sätt som låter dem kontrollera dess rörelse ner till varje enskild länk, eller nukleotid, i DNA-kedjan.

"Helst, du skulle vilja stega DNA genom nanoporen en nukleotid i taget, ", sa Aksimentiev. "Ta en mätning och ha sedan en annan nukleotid i avkänningshålet. Det är målet, och det har inte insetts än. Vi visar att, till en viss grad, vi kan kontrollera processen genom att ladda grafen."

Forskarna fann att en positiv laddning i grafenen påskyndar DNA-rörelsen genom nanoporen, medan en negativ laddning stoppar DNA:t i dess spår. Dock, när de såg på, DNA verkade dansa över grafenytan, pirueterande till former de aldrig hade sett, specifika för sekvensen av DNA-nukleotiderna.

"Det påminner mig om Svansjön, " Sa Aksimentiev. "Det är väldigt akrobatiskt. Vi blev mycket förvånade över mängden DNA-konformationer som vi kan observera på grafenytan när vi laddar den. Det finns en sekvens som börjar med att lägga sig på ytan, och när vi ändrar avgiften, de lutar alla åt sidan som om de gör en enarmad armhävning. Sedan har vi också nukleotider som skulle ligga tillbaka, eller gå upp som en ballerina en pointe."

Se en videoanimering av DNA-dans när grafenladdningen ändras:

Aksimentiev antar att konformationerna är så olika och så specifika för sekvensen eftersom varje nukleotid har en något annorlunda fördelning av elektroner, de negativt laddade delarna av atomerna. Det finns till och med en synlig skillnad när en nukleotid är metylerad, en liten kemisk förändring som kan slå på eller av en gen.

Genom att byta laddning i grafen, forskarna kan inte bara kontrollera DNA:s rörelse genom porerna, men också formen som DNA:t förvrängs till.

"Eftersom det är reversibelt, vi kan tvinga den att anta en konformation och sedan tvinga den att gå tillbaka. Det är därför vi kallar det gymnastik, " sa Aksimentiev.

Forskarna använde i stor utsträckning Blue Waters superdator vid National Center for Supercomputing Applications, inrymt vid University of Illinois. De kartlade varje enskild atom i den komplexa DNA-molekylen och körde många simuleringar av många olika DNA-sekvenser. Superdatorkraft var avgörande för att utföra arbetet, sade Aksimentiev.

"Det här är ett riktigt beräkningsintensivt projekt, ", sa han. "Att ha tillgång till Blue Waters var viktigt eftersom med det stora antalet simuleringar, vi skulle inte ha kunnat avsluta dem. Det skulle ha tagit för lång tid."

Nästa steg är att kombinera en laddad nanoporesetup med en sensor för att bygga en DNA-sekvenseringsenhet som skulle inkorporera både rörelsekontroll och nukleotidigenkänning. Forskarna hoppas också kunna utforska de oväntade konformationsförändringarna för insikter i epigenetik, fältet som studerar hur gener uttrycks och modereras.

"DNA är mycket mer komplicerat än bara en dubbelspiral. Det är en komplex molekyl som har många egenskaper, och vi avslöjar dem fortfarande, " sa Aksimentiev.