Geavanceerde beeldvormingstechniek werpt licht op hoe DNA-strengen zich opstapelen

In een nieuwe studie hebben onderzoekers van het Department of Biochemistry, Indian Institute of Science (IISc), een nieuwe beeldvormingstechniek gebruikt om vast te stellen hoe sterk aangrenzende basen – de bouwstenen van DNA – zich op elkaar stapelen in een enkele streng . De bevindingen openen mogelijkheden voor het bouwen van complexe DNA-nanodevices en het ontrafelen van fundamentele aspecten van de DNA-structuur.

Achter de naadloze werking van elke levende cel ligt DNA – het erfelijke voertuig dat informatie draagt ​​voor zijn groei, functioneren en voortplanting. Elke DNA-streng bestaat gewoonlijk uit vier nucleotidebasen: adenine (A), guanine (G), thymine (T) en cytosine (C). De basen op de ene streng paren met die op de tegenoverliggende streng om het dubbelstrengige DNA te vormen (A paren met T en G paren met C).

Twee soorten interacties stabiliseren de dubbele helixstructuur van DNA. Basenparing – interactie tussen basen op tegenovergestelde strengen – is meer algemeen bekend, terwijl basenstapeling – interactie tussen basen in dezelfde streng – niet erg goed is bestudeerd. Stel je een rits voor waarin base-pairing is als de ritssluiting die de twee strengen bij elkaar houdt, terwijl base-stapeling werkt als de tanden van de rits, wat zorgt voor een strakke en veilige verbinding.

Base-stacking-interacties zijn doorgaans sterker dan base-pairing, zegt Mahipal Ganji, assistent-professor aan de afdeling Biochemie, IISc, en corresponderende auteur van het artikel gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.

Om alle 16 mogelijke base-stacking-combinaties te bestuderen, gebruikten de onderzoekers DNA-PAINT (Point Accumulation in Nanoscale Topography). DNA-PAINT is een beeldvormende techniek die werkt volgens het principe dat twee kunstmatig ontworpen DNA-strengen, elk eindigend op een andere basis, wanneer ze samengebracht worden in een bufferoplossing bij kamertemperatuur, gedurende een zeer korte tijd willekeurig aan elkaar binden en weer losmaken. .

Het team tagde een van de strengen (imager-streng) met een fluorofoor die licht zou uitstralen tijdens het binden en testte het stapelen van deze streng bovenop een andere gekoppelde streng. Het binden en ontbinden van verschillende strengcombinaties (gebaseerd op de eindbases) werd vastgelegd als beelden onder een fluorescentiemicroscoop.

De tijd die nodig was voor het binden en losmaken van de strengen bleek toe te nemen als de interactie tussen de gestapelde basen sterk was, legt Abhinav Banerjee, eerste auteur en Ph.D. student aan de afdeling Biochemie. Daarom bouwden de onderzoekers met behulp van de gegevens verkregen van DNA-PAINT een model dat de timing van binding en ontbinding koppelde aan de kracht van interactie tussen de gestapelde bases.

Met behulp van deze techniek kon het team interessante inzichten in base-stacking ontdekken. Het toevoegen van slechts één extra base-stacking-interactie aan een DNA-streng lijkt de stabiliteit tot wel 250 keer te vergroten. Ze ontdekten ook dat elk nucleotidepaar zijn eigen unieke stapelsterkte had. Met deze informatie kon het team een ​​zeer efficiënte driearmige DNA-nanostructuur ontwerpen die mogelijk kan worden ingebouwd in een veelvlakvormig voertuig voor biomedische toepassingen, zoals het richten op specifieke ziektemarkers en het leveren van gerichte therapieën.

De onderzoekers werken ook aan het verbeteren van de techniek van DNA-PAINT zelf. Banerjee zegt dat ze, gebruikmakend van stapelinteracties, van plan zijn nieuwe sondes te ontwerpen die de potentiële toepassingen van DNA-PAINT zouden uitbreiden.

Bovendien heeft het onderzoek volgens de wetenschappers bredere toepassingen dan beeldvorming en nanotechnologie. Ganji hoopt dat deze bevindingen kunnen worden gebruikt om fundamentele eigenschappen van enkel- en dubbelstrengs DNA te bestuderen, die op hun beurt licht kunnen werpen op DNA-reparatiemechanismen, waarvan het falen leidt tot vele ziekten, waaronder kanker.