Podłączanie DNA

Podłączając DNA między dwie nanorurki węglowe, naukowcy zmierzyli zdolność cząsteczki do przewodzenia elektryczności. Wprowadzenie tylko jednej zmiany litery może drastycznie zmienić odporność DNA, jak odkryli naukowcy, zjawisko, które planują wykorzystać za pomocą urządzenia, które może szybko przeszukiwać DNA pod kątem mutacji związanych z chorobami.

Okablowane na gorąco: Umieszczając dwuniciowy segment DNA w szczelinie jednościennej nanorurki węglowej, naukowcy zmierzyli właściwości elektryczne cząsteczki biologicznej. Ponieważ nawet pojedyncza niezgodność w literach DNA wpływa na przewodnictwo segmentu, system może ostatecznie stać się podstawą czujników chemicznych do wykrywania mutacji w DNA.

Pomiar właściwości elektrycznych DNA okazał się trudny, ponieważ cząsteczka i jej połączenia z elektrodami są zwykle bardzo delikatne. Ale w nowym badaniu Colin Nuckolls , profesor chemii na Uniwersytecie Columbia w Nowym Jorku, we współpracy z Jacqueline Barton , profesor chemii w Caltech w Pasadenie w Kalifornii, ekspert w dziedzinie transportu ładunku DNA. Grupa Nuckollsa wcześniej opracowała metodę bezpiecznego łączenia molekuł biologicznych z jednościennymi nanorurek węglowych, które działają jak elektrody w maleńkim obwodzie.

Naukowcy wykorzystali proces wytrawiania, aby wyciąć szczelinę w nanorurce węglowej; stworzyli grupę kwasu karboksylowego na nanorurce na każdym końcu szczeliny. Następnie przereagowali te grupy z niciami DNA, których końce zostały oznaczone grupami aminowymi, tworząc trwałe chemiczne wiązania amidowe, które wiążą ze sobą nanorurki i DNA. Połączenia amidowe są wystarczająco wytrzymałe, aby wytrzymać ogromne pola elektryczne.

Zespół oszacował, że nici DNA o długości około 15 par zasad (około 6 nanometrów) mają rezystancję w przybliżeniu równą oporności kawałka grafitu o podobnej wielkości. Jest to odkrycie, którego naukowcy mogli się spodziewać, ponieważ pary zasad chemicznych, które tworzą DNA, tworzą stos pierścieni aromatycznych podobnych do tych w graficie.

Moim zdaniem wyniki tej pracy przetrwają, w przeciwieństwie do wielu innych publikacji na ten temat – mówi chemik Bernd Giese , na Uniwersytecie w Bazylei w Szwajcarii. Gese mówi, że wcześniejsze szacunki przewodności DNA znacznie się różniły, częściowo dlatego, że nie było jasne, czy delikatne DNA lub jego połączenie z elektrodami zostało uszkodzone przez zastosowane wysokie napięcie. Wydaje się, że spaliło się DNA na węgiel drzewny, mówi Giese. Eksperymentalnie jest to niezwykle skomplikowane.

Barton i Nuckols wykonali dwie sztuczki ze swoim okablowanym DNA. Po raz pierwszy wprowadzili enzym restrykcyjny, który wiąże i tnie DNA w określonej sekwencji. Po odcięciu prąd przepływający przez DNA zniknął. To sposób na biochemiczne przepalenie lontu, mówi Nuckols. Pokazuje również, że DNA zachowuje swoją naturalną strukturę w obwodzie; gdyby tak się nie stało, enzym nie rozpoznałby i nie przeciąłby cząsteczki.

W swojej drugiej sztuczce naukowcy wprowadzili do DNA niedopasowanie jednej pary zasad, tak że na przykład C zostało sparowane z A (a nie jego normalnym partnerem, G). To ulepszenie zwiększyło opór cząsteczki około 300-krotnie, prawdopodobnie dlatego, że zniekształca strukturę podwójnej helisy. Mogli to zrobić z łatwością, łącząc tylko jedną z dwóch nici DNA w obwód. Druga nić - która może być idealnie dopasowana do pierwszej lub zawierać niedopasowanie - może się podnieść lub zniknąć.

Pokazanie elektrycznego efektu takiego niedopasowania sekwencji i cięcia enzymatycznego jest prawdziwą siłą eksperymentów, mówi Danny Porath , z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie, Izrael, który również mierzył prąd za pomocą DNA. Bawią się parametrami i pokazują, że przewodnictwo DNA wyraźnie od nich zależy i to jest piękne – mówi.

Nuckols pracuje obecnie nad wykorzystaniem tego odkrycia do wykrywania polimorfizmów pojedynczego nukleotydu (SNP), jednoliterowych zmian w DNA, które są powiązane na przykład z podatnością na chorobę Alzheimera, cukrzycę i wiele innych poważnych chorób. Nuckells ma nadzieję, że jego metoda może zostać wykorzystana do szybszej i bardziej czułej identyfikacji SNP niż istniejące metody. W takim urządzeniu referencyjna nić DNA jest podłączona do obwodu, a inne nici mogą się z nim łączyć. Jeśli druga nić ma inną zasadę w pozycji SNP, wystarczyłoby to, aby wywołać zmianę prądu w obwodzie w nanoskali, tak jak miało to miejsce w przypadku niedopasowania par zasad. Nuckols mówi, że już współpracuje z inżynierami elektrykami nad stworzeniem czujnika, który może być wpasowany w istniejące układy półprzewodnikowe, czyniąc go tanim i łatwo dostępnym. To jeden z naszych największych celów i jesteśmy całkiem blisko, mówi.

Zespół prawdopodobnie będzie miał konkurencję. Pod koniec ubiegłego roku grupa kierowana przez Wonbong Choi , z Florida International University w Miami, poinformował, że naciągnął 80 par zasad DNA między dwie nanorurki węglowe i przesłał prąd przez DNA. Choi mówi, że pracuje nad stworzeniem czujnika, który może szybko ujawnić obecność określonych sekwencji genetycznych – takich jak wirus ptasiej grypy – poprzez obserwację zmian prądu płynącego przez maleńki obwód.

Tymczasem Barton zamierza dowiedzieć się, czy przewodnictwo DNA ma w komórce jakikolwiek cel biologiczny. Ma dowody na to, że białka związane z DNA mogą wykrywać uszkodzenia DNA poprzez zmiany jego właściwości elektrycznych, być może wyzwalając naprawę uszkodzeń. Uważamy, że jest to coś, z czego korzysta natura, mówi. To radykalny pomysł, ale myślę, że w miarę zdobywania coraz większej ilości dowodów sprawa będzie budowana.

ukryć