Forskare har introducerat en ny typ av "superupplöst" mikroskopi och använt den för att upptäcka den exakta gångmekanismen bakom små strukturer gjorda av DNA som kan hitta biomedicinska och industriella tillämpningar.

Forskarna visade också hur "DNA walker" kan släppa ett läkemedel mot cancer, representerar en potentiell ny biomedicinsk teknologi, sa Jong Hyun Choi, en docent i maskinteknik vid Purdue University.

Syntetiska nanomotorer och rollatorer är intrikat designade system som hämtar kemisk energi från miljön och omvandlar den till mekanisk rörelse. Dock, eftersom de är för små för att kunna observeras med konventionella ljusmikroskop, forskare har inte kunnat lära sig de exakta stegen som är involverade i gångmekanismerna, kunskap som är avgörande för att fullända tekniken.

"Om du inte kan lösa eller övervaka dessa vandrare i aktion, du kommer inte att kunna förstå deras mekaniska funktion, " sa Choi.

Han ledde ett Purdue-team som har löst detta problem genom att utveckla ett mikroskopisystem med superupplösning som är utformat för att studera DNA-vandrare. De nya rönen dök upp i tidskriften Vetenskapens framsteg den 20 januari.

Forskare runt om i världen skapar syntetiska motorer baserade på DNA och RNA, det genetiska materialet i celler som består av en sekvens av fyra kemiska baser:adenin, guanin, cytosin och tymin. Designen är inspirerad av naturliga biologiska motorer som har utvecklats för att utföra specifika uppgifter som är kritiska för cellers funktion.

Purdue-forskarna har designat ett DNA-gångsystem som består av en enzymatisk kärna och två armar. Walkern färdas längs ett kol-nanorör spår "dekorerat" med strängar av RNA. Den enzymatiska kärnan klyver bort segment av dessa RNA-strängar när vandraren kontinuerligt rör sig framåt, binder till och skördar energi från RNA. Walkern rör sig i en sexstegscykel som upprepas så länge det finns RNA-bränsle.

En fluorescerande nanopartikel är fäst vid ena armen av DNA-rullatorn, får den att glöda när den utsätts för ljus i den synliga delen av spektrumet. Kol-nanorörspåret fluorescerar också när det utsätts för ljus i en del av det nära-infraröda spektrumet. Eftersom det nya superupplösningsmikroskopisystemet fungerar i både det synliga och nära infraröda spektra, det är möjligt att spåra gångmekanismen.

Superupplösningstekniken tillåter forskare att lösa strukturella egenskaper som är mycket mindre än våglängden för synligt ljus, vilket normalt är svårt att använda konventionella mikroskop på grund av Abbes diffraktionsgräns, fastställd av fysikern Ernst Abbe 1873. Gränsen är cirka 250 nanometer, som är stor jämfört med de små vandrare, mäter cirka 5 nanometer lång.

När DNA-rullatorn utsätts för laserljus, nanopartikeln och nanoröret blinkar på och av slumpmässigt. Dessa blixtar fångas som många fluorescerande prickar i tusentals bildramar. Denna samling av punkter används sedan för att rekonstruera rollatorns exakta rörelse, som rör sig i en sexstegscykel som innebär att man klyver delar av RNA-strängen och skördar dess energi innan man går vidare till nästa sträng.

Fynden visade att tre primära steg dominerar denna gångmekanism.

"Så, om du kan kontrollera dessa tre steg inom denna gångcykel så kan du verkligen studera och bättre kontrollera dessa vandrare, " sa Choi. "Du kan påskynda dem, du kan få dem att stanna och röra sig i olika riktningar."

Medan det tidigare skulle ha tagit 20 timmar eller längre att studera en hel gångcykel, den nya metoden påskyndar processen till ungefär en minut.