(Phys.org) – En ny studie visar att forskare kan kontrollera avståndet mellan två molekyler så att de kan justera stegstorleken till så liten som Bohrs radie. Denna proof-of-concept-studie med DNA-origami-tekniker visar hur molekylär positionering kan finjusteras på atomnivå vid rumstemperatur i lösning. Detta arbete har tillämpningar för molekylär arkitektur såväl som mallade kemiska reaktioner. Denna studie visas i Naturens nanoteknik .

TEM-bilderna i Jonas J Funke och Hendrik Dietzs rapport ser ut som en serie enkla maskiner som en elev skulle lära sig i skolan, men dessa enkla maskiner är gjorda av DNA. Men, liknar enkla maskiner, när vinkeln mellan de korsande delarna ökar, avståndet mellan distala ändpunkter på de korsande delarna ökar. Funke och Dietz kontrollerade avståndet till de distala ändpunkterna och stämde en justeringsspiral, en DNA-spiral vars längd ökas genom att lägga till baspar.

De korsande delarna är också DNA-spiraler vilket betyder att när vinkeln konvergerar, avståndet mellan en helix och den andra minskar. Basparen på varje helix är ett visst avstånd från basparen på den andra helixen. Som detta arbete visar, det avståndet är justerbart.

Funke och Dietz visade att vinkeln förändras med ökande längd på justerskruven genom att göra helixar med längder från tio baspar till femtio baspar. TEM-studier visade en jämnt ökande vinkel när längden på justerskruven ökade. DNA-armarna och justeringsspiralerna tillhandahåller ställningen för att kontrollera avståndet mellan två interagerande molekyler placerade på armarna.

Funke och Dietz använde FRET-studier för att få en bättre förståelse av avståndet och interaktionen mellan två molekyler på denna DNA-ställning. I FRET överför en donatorkromofor energi till en acceptorkromofor. Effektiviteten av denna överföring är relaterad till avståndet mellan kromoforerna. I den här studien, kromoforer placerades vid position fem, femton, och tjugofem längs DNA-armarna. Position fem är närmast spetsvinkeln och tjugofem är längst bort från spetsen. De fann ett samband mellan emissionsintensiteter och längden på justeringsspiralen. Dessutom, elektroforetiska studier visade att funktionalisering av DNA-ställningen med kromoforer inte förändrade ställningens egenskaper.

När kromoforavstånden minskade från 9,0 nm till 3,5 nm, de observerade de förväntade donator/acceptor-interaktionerna. När avstånden minskade från 3,5 nm till 1,5 nm, de observerade fluorescenssläckning. Deras data antydde att de kunde urskilja avstånd så små som 0,04 nm. Detta bekräftades med en förbättrad studie av fluorescenssläckning, visar att det är möjligt att urskilja avstånd som skiljer sig med 0,04 nm, eller mindre än Bohrs radie.

Till sist, att förstå hur termiska fluktuationer vid rumstemperatur påverkar molekylära avstånd, Funke och Dietz tittade på kemiska tvärbindningsreaktioner av tiolgrupper. Tiolgrupperna placerades femton baspar bort från vertexvinkeln och reagerades med fem olika homo-bifunktionella bismaleimidlänkmolekyler med kända avstånd och termiska fluktuationer. Detta möjliggjorde två möjliga reaktioner, den tvärbundna reaktionen och den icke-tvärbundna reaktionen.

Genom att plotta tvärbindningsutbytet som en funktion av avståndet, de fann att så länge som bismaleimiden var tillräckligt lång för att sträcka sig över avståndet, då skulle den producera den tvärbundna produkten. Om inte, avkastningen gick till noll. Experimentella resultat visade att skördefallet var gradvis och på ett större avstånd än bismaleimidens konturlängd, på grund av fluktuationer vid rumstemperatur och i lösning. Till exempel, BMOE, en av bismaleimidföreningarna, har en konturlängd på 1,05 nm, men utbytet sjönk vid 3,5 nm. Med hjälp av en kvantitativ modell för reaktionen, Funke och Dietz kunde beräkna fluktuationerna i avståndskoordinaten till inom 0,5 nm.

Denna proof-of-concept-studie visar möjligheten att använda en DNA-ställning för att kontrollera molekylärt avstånd. När vi frågade om konsekvenserna av hans forskning, Dr Funke sa, "Att ordna materia med allt mer precision är ett nyckelmål för vetenskap och teknik. Vår studie visar, att byggnadsställningar DNA-origami möjliggör rationell positionering av två molekyler med atomär upplösning och därför öppnar nya möjligheter att studera och manipulera molekylära interaktioner.

© 2015 Phys.org