Kunskap om hur DNA veck och böjer kan erbjuda ett nytt perspektiv på hur det hanteras i celler samtidigt som det hjälper till med designen av DNA-baserade enheter i nanoskala, säger en biomedicinsk ingenjör vid Texas A&M University vars nya rörelsebaserade analys av DNA ger en exakt bild av molekylens flexibilitet.
Modellen, som kastar nytt ljus över de fysiska egenskaperna hos DNA, utvecklades av Wonmuk Hwang, docent vid universitetets institution för biomedicinsk teknik, och hans Ph.D. student Xiaojing Teng. Hwang använder datasimulering och teoretisk analys för att studera biomolekyler som DNA som utför viktiga funktioner i människokroppen. Hans senaste modell, som ger en rörelsebaserad analys av DNA beskrivs i den vetenskapliga tidskriften ACS Nano .
Förutom att hysa den genetiska informationen som behövs för att bygga och underhålla en organism, DNA har några otroligt intressanta fysikaliska egenskaper som gör det idealiskt för konstruktion av nanoenheter, Hwang noterar. Till exempel, DNA:t som ingår i kärnan i en mänsklig cell kan sträcka sig till fyra fot när det sträcks ut, men tack vare ett antal veck, böjar och vrider, den förblir i ett utrymme som inte är större än en mikron - en bråkdel av bredden på ett människohår. DNA kan också programmeras för självmontering och demontering, gör den användbar för att bygga nano-mekaniska enheter.
Att förstå dess unika fysiska egenskaper är nyckeln till att låsa upp DNA:s potential som ett byggverktyg, men tidigare studier, Hwang noterar, har tillhandahållit begränsad information om DNA -flexibilitet. Detta beror till stor del på deras beroende av statiska strukturella modeller av molekylen, säger Hwang. Till skillnad från dessa studier, Hwangs modell innehåller en atomistisk simulering så att den inneboende termiska rörelsen av DNA kan analyseras. Hwang och hans team kan sedan mäta hur DNA-strängen deformeras under denna rörelse.
Nyckelbegreppet i analysen, Hwang förklarar, är känd som "huvudaxel, 'som i princip anger var en stav lättast kan böjas eller där den är den styvaste. Till exempel, en linjal kan böjas lättast nära sin platta sida medan den är svårast att böja nära sin tunna kant, han säger. Liknande beteende kan ses för DNA. Denna rörelsebaserade analys, Hwang säger, har redan resulterat i några nyckelfynd och biologiska insikter om DNA.
Till exempel, en DNA -helix -kedja, Hwang noterar, kan ha varierande flexibilitet baserat på hur sekvenserna av nukleotider i kedjan är organiserade. Vad mer, Hwangs modell avslöjade att DNA reagerade på specifika sätt mot fysiska krafter - antingen vridning eller böjning. Detta svar kan ses när proteiner binder till DNA, Hwang förklarar. När proteiner binder utan mycket energikostnad tenderar de att vrida DNA, men högenergibindning resulterar i mer av en böjning av DNA, säger Hwang.
Dessa små reaktioner, Hwang noterar, kan få stora konsekvenser, i synnerhet när det gäller att använda DNA som molekylära byggstenar för nanodatorer såsom läkemedelsleveranssystem och kretsar i plasmoniska enheter. Att bygga otroligt små men ändå avancerade enheter är ett viktigt mål för nanoteknik, och att göra det med DNA är inte så långsökt som det låter. Under de senaste åren har Forskare har använt det genetiska materialet för att bygga ett antal konstruktioner i nanostorlek, forma den till olika tredimensionella former såsom lådor som kan öppnas och stängas. Processen, känd som DNA-origami, är fortfarande i sin relativa linda, men informationen från Hwangs modell kan hjälpa forskare att bygga mer avancerade konstruktioner.
"Att köra bil är en sak, men att bygga det är ett annat; du vrider på nyckeln och trampar på gaspedalen, och bilen rör sig – du kan använda den utan att behöva veta vad som händer inuti bilen, "Säger Hwang." Men för att verkligen konstruera en bättre bil, du måste ha kunskap om egenskaperna hos dess komponenter och hur de sätts ihop. Samma sak gäller DNA eftersom det fortsätter att användas för att bygga dessa nanostrukturer, och vi tillhandahåller ett mekaniskt specifikationsblad för det genom vår analys. "
