Makromolekyler viker och vecklar ut sig regelbundet inuti celler. Deras olika tredimensionella strukturer hjälper till att bestämma deras funktioner. Att förstå molekylvikning kan kasta ljus över komplexa fysiska processer som kan påverka sjukdomar, cancer och allergier.

G-quadruplexer är grupper av guanin-nukleinsyror, 'G'en i DNA-sekvensen, som bildar specifika former som ser ut som futuristiska, kontorsbyggnader i tre våningar. De avfärdades länge eftersom de inte hade någon biologisk funktion, men tros nu hjälpa till att reglera genuttryck, inklusive för sjukdomar. Att förstå de fysiska processer som dessa föreningar genomgår när de fälls ihop till extra trånga utrymmen kan en dag hjälpa till att utveckla läkemedelsbehandlingar som riktar sig mot dem.

Att genomföra experiment för att lära sig om vikningsprocessen i trånga områden är extremt utmanande eftersom det är lätt att störa inte bara målmolekylen, som bara är några nanometer lång, men också den omgivande infrastrukturen, som bara är en bråkdel större.

Ett team ledd av Hiroshi Sugiyama och Masayuki Endo från Kyoto University's Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) som samarbetar med teamet från Kent State University designade strukturer och experimentella system som framgångsrikt manipulerar G-quadruplexer inuti nanocages, som också är gjorda av DNA. Teamet mätte hur olika stora utrymmen påverkar den termodynamiska stabiliteten och vecknings- och vikningskinetiken för dessa molekyler.

"Under det begränsade nanoutrymmet, G-quadruplex-strukturerna avslöjade oöverträffad snabb vikningskinetik med ökad mekanisk såväl som termodynamisk stabilitet, som direkt stödde teoretiska förutsägelser, " avslutar forskarna i sin studie som nyligen publicerades i tidskriften Naturens nanoteknik .

Forskarna byggde rektangelformade nanokagar av DNA som de lindade runt en G-quadruplex-molekyl. Tjuder gjorda av ännu mer DNA fäste molekylen till två pärlor. Pärlorna, styrs av lasrar som kallas optisk pincett, utövade kraft på molekylen. Detta fick molekylen att vecklas ut och sedan återveckas. Det fanns ingen störning mellan nanocage och målet, eftersom de båda har negativa laddningar och stöter bort varandra som magneter.

Teamet byggde små, medelstora och stora nanocages. Molekylerna veckades ut och återveckades 100 gånger snabbare i de små och medelstora nanocages jämfört med molekyler utan nanocages.

Fynden stöder förutsägelser som gjorts av andra forskare inom området, men detta är den första demonstrationen utan interaktion mellan molekylen och buren. Forskarna räknar med att metoden kan användas för observation av andra biomolekyler som proteiner med mer exakt designade nanocages.