Ontdekken van verborgen DNA -structuren tijdens nanopore detectie: plectonemes gaan centraal staan

Een nieuwe studie onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Cambridge, in samenwerking met internationale instellingen, heeft een belangrijk mechanisme ontdekt in hoe DNA zich gedraagt als het door nanoschaalporiën gaat – een proces dat centraal staat in veel biologische functies en opkomende DNA -detectie -technologieën. De studie werpt nieuw licht op een structurele ‘verborgen speler’, plectonemes, lang gemist door onderzoekers, met het potentieel om biosensing en genomische technologieën te hervormen.

Decennia lang geloofden wetenschappers dat wanneer DNA door nanoporiën passeerde – een krachtige techniek voor het analyseren van genetisch materiaal – complexe elektrische signalen de vorming van knopen aangaven. Het leek veel op het trekken van een schoenvaardigheid door een klein gat: als het kant verstrikt raakt, wordt de beweging onregelmatig. Onderzoekers namen aan dat hetzelfde op DNA werd toegepast en dat elke signaalcomplexiteit te wijten was dat het werd geknoopt terwijl deze doordook.

Alleen nu, de nieuwe bevindingen, gepubliceerd in Fysieke beoordeling xonthullen dat DNA niet alleen wordt geknoopt (zoals de verwarde schoenveters) als gevolg van verstoringen in het elektrische signaal omdat deze de porie in nanopore translocatie doorschrijft. Integendeel, de onderzoekers hebben onthuld dat deze veronderstelde knopen vaak plectonemen zijn – structuren waar het DNA rond zichzelf draait, als een gedraaid telefoonsnoer, in plaats van een echte knoop te leggen.

“Onze experimenten toonden aan dat terwijl DNA door de nanopore wordt getrokken, de ionische stroom in wendingen de streng, het ophopende koppel en wikkelen in plectonemen, niet alleen knopen. Deze ‘verborgen’ kronkelende structuur heeft een onderscheidende, langdurige vingerafdruk in het elektrische signaal in het elektrische signaal in het elektrische signaal in het elektrische signaal in het elektrische signaal in het elektrische signaal in het elektrische signaal in het elektrische signaal in het elektrische signaal in het elektrische signaal in het elektrische signaal in het elektrische signaal, in tegenstelling tot de meer tijdelijke handtekening van de knots.

De wetenschappers gebruikten glazen en siliciumnitride nanoporiën om DNA te analyseren onder een reeks spanningen en experimentele omstandigheden. Ze zagen dat “verwarde” gebeurtenissen – instanties waar meerdere DNA -strengen tegelijkertijd de porie bezetten – veel te gebruikelijk waren om alleen te worden verklaard door evenwichtsknoopvorming. In plaats daarvan nam de overmaat van deze gebeurtenissen toe met spanning en DNA -lengte, waardoor een onbekend mechanisme hint.

Ze ontdekten dat deze wendingen worden aangedreven door elektrosmotische stroom – een beweging van water in de nanopore die koppel genereert op het spiraalvormig DNA -molecuul. Terwijl de streng draait, wordt dit koppel overgedragen aan secties van DNA buiten de porie, waardoor ze opduiken. In tegenstelling tot knopen, die worden vastgedraaid door trekkrachten en de neiging hebben om van korte duur te zijn, kunnen plectonemen groter worden en blijven bestaan tijdens de translocatie.

Om verder te onderzoeken, simuleerden de onderzoekers DNA onder realistische krachten en torpques. De simulaties bevestigden dat plectonemen worden gegenereerd door de draaiende beweging die wordt opgelegd door de elektrosmotische stroom van de nanopore en dat hun formatie afhangt van het vermogen van het DNA om de draai over de lengte ervan te verspreiden.

In een slimme wending hebben de onderzoekers “Nicked” -DNA ontwikkeld, moleculen onderbroken met precieze intervallen, die de wending voortplanting en drastisch verminderde plectoneemvorming in hun experimenten blokkeerden. Dit heeft niet alleen de rol van de structuur bevestigd, maar wijst ook op potentiële nieuwe manieren om DNA -schade te detecteren of zelfs te diagnosticeren met behulp van nanoporiën.

“Wat hier echt krachtig is, is dat we nu knopen en plectonemes in het nanopore-signaal kunnen vertellen op basis van hoe lang ze meegaan”, zegt Prof Ulrich F. Keyser, die ook co-auteur van het papier is.

“Knopen gaan snel door, net als een snelle hobbel, terwijl plectonemes blijven hangen en uitgebreide signalen creëren. Dit biedt een pad naar rijkere, meer genuanceerde uitlezen van DNA -organisatie, genomische integriteit en mogelijk schade.”

De implicaties gaan nog verder. In de biofysica kunnen deze bevindingen ons begrip van DNA -verwikkelingen in cellen verdiepen, waar plectonemen en knopen regelmatig naar voren komen door de werking van enzymen, die cruciale rollen spelen in genoomorganisatie en stabiliteit. Voor biosensoren en diagnostiek kan het vermogen om deze twiststructuren te regelen of te detecteren de deur openen voor een nieuwe generatie biosensoren die gevoeliger zijn voor subtiele DNA -veranderingen, waardoor de vroege detectie van DNA -schade bij ziekten mogelijk mogelijk is.

“Vanuit het perspectief van nanotechnologie benadrukt het onderzoek de kracht van nanoporiën, niet alleen als geavanceerde sensoren, maar ook als hulpmiddelen voor het manipuleren van biopolymeren op nieuwe manieren,” concludeerde Keyser.