‘LEGO’-techniek onthult de fysica van DNA-transport door nanoporiën

Polymeren zijn lange, kettingachtige moleculen die overal in de biologie voorkomen. DNA en RNA zijn polymeren die worden gevormd door vele opeenvolgende kopieën van aan elkaar gekoppelde nucleotiden. Wanneer ze binnen of tussen cellen worden getransporteerd, moeten deze biologische polymeren door gaten van nanometergrootte gaan die “nanoporiën” worden genoemd.

Dit proces ligt ook ten grondslag aan een zich snel ontwikkelende methode voor het analyseren en sequencen van DNA, nanopore sensing genaamd.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica, laat zien hoe het door Cavendish geleide team een ​​nieuwe LEGO-achtige techniek ontwikkelde voor het samenstellen van DNA-moleculen met uitstekende bobbels op specifieke locaties langs hun lengte. Door deze DNA-moleculen door een nanoporie te leiden en gelijktijdige veranderingen in het patroon van ionenstroom te analyseren, bepaalden de onderzoekers met grote precisie hoe de snelheid van het DNA verandert terwijl het erdoorheen beweegt.

De experimentele resultaten onthulden een proces in twee stappen waarbij de DNA-snelheid aanvankelijk vertraagt ​​​​voordat ze dicht bij het einde van de translocatie versnelt. Simulaties demonstreerden ook dit proces in twee fasen en hielpen te onthullen dat de onderliggende fysica van het proces wordt bepaald door de wrijving tussen het DNA en de omringende vloeistof te veranderen.

“Onze methode voor het samenstellen van LEGO-achtige moleculaire DNA-linialen heeft nieuw inzicht gegeven in het proces van het rijgen van polymeren door ongelooflijk kleine gaatjes van slechts enkele nanometers groot”, legt senior auteur Dr. Nicholas Bell van Cambridge’s Cavendish Laboratory uit. “De combinatie van zowel experimenten als simulaties heeft een uitgebreid beeld opgeleverd van de onderliggende fysica van dit proces en zal de ontwikkeling van op nanoporiën gebaseerde biosensoren helpen. Het is heel opwindend dat we deze moleculaire processen nu in zo’n klein detail kunnen meten en begrijpen. “

“Deze resultaten zullen helpen bij het verbeteren van de nauwkeurigheid van nanoporiënsensoren in hun verschillende toepassingen, bijvoorbeeld het lokaliseren van specifieke sequenties op DNA met nanometernauwkeurigheid of het vroegtijdig detecteren van ziekten met doel-RNA-detectie”, zegt hoofdauteur Kaikai Chen.

“De superieure resolutie bij het analyseren van moleculen die door nanoporiën gaan, zorgt voor een foutloze decodering van digitale informatie die is opgeslagen op DNA. We onderzoeken en verbeteren het nut van nanoporiënsensoren voor deze toepassingen.”