Forskare vid North Carolina State University har använt beräkningsmodellering för att belysa exakt hur laddade guldnanopartiklar påverkar strukturen av DNA och RNA – vilket kan leda till nya tekniker för att manipulera dessa genetiska material.

Arbetet lovar att utveckla applikationer som kan lagra och transportera genetisk information, skapa anpassade byggnadsställningar för bioelektronik och skapa nya teknologier för läkemedelsleverans.

"I naturen, meter av DNA packas tätt in i varje levande cell, säger Jessica Nash, en Ph.D. student vid NC State och huvudförfattare till en artikel om arbetet. "Detta är möjligt eftersom DNA:t är tätt virat runt ett positivt laddat protein som kallas histon. Vi skulle vilja kunna forma DNA med ett liknande tillvägagångssätt som ersätter histonen med en laddad guldnanopartikel. Så vi använde beräkningstekniker för att fastställa exakt hur olika laddningar påverkar krökningen av nukleinsyror - DNA och RNA."

I deras modell, forskarna manipulerade laddningen av guldnanopartiklarna genom att lägga till eller ta bort positivt laddade ligander – organiska molekyler fästa på nanopartikelns yta. Detta gjorde det möjligt för dem att bestämma hur nukleinsyran svarade på varje laddningsnivå. En animering av en nanopartikel och ligander som formar en DNA-sträng finns tillgänglig på www.youtube.com/watch?v=kNpvPy … bmc&feature=youtu.be.

"Detta kommer att låta forskarna veta vad de kan förvänta sig - hur mycket laddning de behöver för att få den önskade krökningen i nukleinsyran, " säger Yaroslava Yingling, en docent i materialvetenskap och teknik vid NC State och motsvarande författare till uppsatsen.

"Vi använde ligander i modellen, men det finns andra sätt att manipulera laddningen av nanopartiklarna, " säger Abhishek Singh, en postdoktor vid NC State och medförfattare till uppsatsen. "Till exempel, om nanopartiklarna och nukleinsyran är i lösning, du kan ändra laddningen genom att ändra pH på lösningen."

Arbetet är också betydelsefullt eftersom det belyser hur långt beräkningsforskning har kommit inom materialvetenskap.

"Våra storskaliga modeller står för varje atom som är involverad i processen, säger Nan Li, en Ph.D. student vid NC State och medförfattare till uppsatsen. "Detta är ett exempel på hur vi kan använda avancerad beräkningshårdvara, såsom GPU:er – eller grafikprocessorenheter – utvecklade för användning i videospel, att genomföra toppmoderna vetenskapliga simuleringar."

Forskargruppen bygger nu på dessa rön för att designa nya nanopartiklar med olika former och ytkemi för att få ännu mer kontroll över nukleinsyrors form och struktur.

"Ingen har varit i närheten av att matcha naturens effektivitet när det gäller att linda in och packa upp nukleinsyror, " säger Yingling. "Vi försöker öka vår förståelse av exakt hur det fungerar."