Physiker der Universität Basel haben eine neue Methode entwickelt zu prüfen, die Elastizität und die verbindlichen Eigenschaften der DNA-Moleküle auf einer Oberfläche in extrem niedrigen Temperaturen. Mit einer Kombination von Kryo-Kraft-Spektroskopie und Computersimulationen konnten Sie zeigen, dass DNA-Moleküle Verhalten sich wie eine Kette von kleinen Schraubenfedern. Die Forscher berichten über Ihre Ergebnisse in „Nature Communications“.
DNA ist nicht nur ein beliebtes Forschungsthema, denn es enthält den bauplan für das Leben-es kann auch verwendet werden, um winzige Komponenten für technische Anwendungen. In einem Prozess namens DNA-origami, Wissenschaftler manipulieren können, die genetisches material in einer Weise, die Faltung der DNA-Stränge erzeugt winzige zwei – und drei-dimensionale Strukturen. Diese können verwendet werden, zum Beispiel als Behälter für pharmazeutische Substanzen, die als leitfähige Rohre und als hochsensitive sensoren.
Messung bei niedrigen Temperaturen
Werden in der Lage, die gewünschten Formen, ist es wichtig, vertraut sein mit der Struktur, die Elastizität und die Bindungskräfte der DNA-Bestandteile verwendet wird. Diese physikalischen Parameter können nicht gemessen werden, die bei Raumtemperatur, weil die Moleküle sind ständig in Bewegung.
Dasselbe gilt nicht bei niedrigen Temperaturen: das team von Professor Ernst Meyer vom Swiss Nanoscience Instituts und der Universität Basel im Fachbereich Physik haben nun mit cryo-Kraft-Mikroskopie für die erste Zeit zu charakterisieren, DNA-Moleküle und untersuchen dann deren Bindungskräfte und Elastizität.
Freistehendes Stück für Stück
Platzierten die Forscher nur wenige nanometer lange DNA-Stränge mit 20-Cytosin-Nukleotide auf einer gold-Oberfläche. Bei einer Temperatur von 5 Kelvin, ein Ende des DNA-Stranges wurde dann nach oben gezogen mit der Spitze von einem Rasterkraftmikroskop. Dabei werden die einzelnen Komponenten der Strang befreit sich von der Oberfläche allmählich. So konnten die Physiker zum aufzeichnen Ihrer Elastizität als auch die erforderlichen Kräfte zum trennen der DNA-Moleküle von der gold-Oberfläche.
„Je länger das freistehende Stück der DNA, die weicher und elastischer das DNA-segment wird“, erklärt Erstautor Dr. Rémeine Pawlak. Dies ist, weil die einzelnen Komponenten der DNA Verhalten sich wie eine Kette von mehreren Schraubenfedern miteinander verbunden sind. Dank der Messungen, die Forscher waren in der Lage, bestimmen Sie die Federkonstante für die einzelnen DNA-Bestandteile.
Computer-Simulationen verdeutlichen, dass die DNA diskontinuierlich abgetrennt von der Oberfläche. Dies ist durch das Aufbrechen von Bindungen zwischen den Cytosin-Basen und das DNA-Rückgrat von der gold-Oberfläche, und Ihre abrupten Bewegungen über die gold-Oberfläche. Die theoretische Elastizität-Werte korrelieren sehr eng mit den Experimenten und bestätigen das Modell der Seriell angeordnete Federn.
Snapshots ermöglichen einen Einblick
Die Studien bestätigen, dass die cryo-Kraft-Spektroskopie ist sehr gut geeignet, um Untersuchung der Kräfte, Elastizität und Bindungseigenschaften von DNA-Strängen auf Oberflächen bei tiefen Temperaturen.
„Mit Kryo-Elektronen-Mikroskopie, wir nehmen einen Schnappschuss mit der cryo-Kraft-Spektroskopie, die uns einen Einblick in die Eigenschaften der DNA“, erklärt Meyer. „In Zukunft könnten wir auch machen Verwendung von scanning probe Mikroskop-Bilder, um zu bestimmen, Nukleotid-Sequenzen.“