化学工程师揭示了如何控制在DNA分子中形成的结

DNA双螺旋。图像：国家人类基因组研究所/国家卫生研究院

就像任何长聚合物链一样，DNA倾向于形成结。使用允许它们延伸DNA分子和图像的技术的技术，MIT研究人员首次发现了确定结沿着股线或“堵塞”的结确定的因素。

“学习聚合物物理学的人士提出了结可能能够堵塞，但是没有良好的模型系统来测试它，”罗伯特T.哈尔特拉姆化学工程教授和研究高级作者帕特里克多伊尔说。“我们展示了相同的结可以从被卡住沿着同一分子的移动。你改变条件，它突然停止，然后再次改变它们，它突然移动。“

调查结果可以帮助研究人员开发解开DNA结的方式，这将有助于提高某些基因组测序技术的准确性，或促进结形成。研究人员说，诱导结形成可以通过减缓DNA分子的通过减慢DNA分子通过系统来增强某些类型的测序。

MIT Postdoc Alexander Klotz是本文的第一个作者，它出现在5月3日问题的物理审查信件中。

靠近拉伸的DNA分子结束的结朝向末端和单位，留下了未差不调的分子。（图像：Alex Klotz）

动作中的结

多伊尔和他的学生一直在研究聚合物结等物理学，如DNA多年。DNA非常适合于这些研究，因为它是一种相对大的分子，使其简单地用显微镜图像，并且可以容易地诱导形成结。

“我们有一种机制，导致DNA分子坍塌成一个小球，当我们伸出时伸出含有非常大的结时，”Klotz说。“这就像把你的耳机粘在口袋里一样，并将它们拉出充满了结。”

一旦结形式，研究人员可以使用他们设计的特殊微流体系统来研究它们。该通道形状类似于T，具有电场，该电场在T的顶部铰接。位于T的顶部的DNA分子将被同等地向每个臂拉动，使其保持在适当位置。

麻省理工学院团队发现，通过改变电场的强度，它们可以操纵这些固定的DNA分子中的结。当该场较弱时，结倾向于沿着分子移动到更近的端部。当他们到达最终时，他们解开了。

“当紧张张力不是太强烈时，它们看起来像是随机四处走动。但是如果你长时间观看它们，它们往往朝着分子的仔细观察到一个方向，“Klotz说。

当场更强时，强迫DNA完全伸展，结就堵塞了。研究人员说，这种现象类似于珠子项链中的结珠项链中的结。当项链松弛时，结可以沿着它移动，但是当它被拉紧时，项链的珠子在一起更近，结陷入困境。

“当你更多地拉伸DNA分子时拧紧结时，它将彼此更靠近的股线，这升高了摩擦力，”Klotz说。“这可能压倒电场引起的驱动力。”

德克萨斯大学奥斯汀大学的化学教授Dmitrii Makarov将其描述为“优雅的实验演示，即在DNA中的结可能在紧张下堵塞，就像我们每天的宏观结一样经验。这项工作还为分子规模摩擦提供了重要的根本洞察力，这是一种仍然不知所措的现象。“

结去除

DNA结也发生在活细胞中，但细胞具有称为拓扑异构酶的专用酶，其能够解开这种结。麻省理工学院团队的研究结果表明，通过施加电场，通过施加电场将从细胞外的DNA中移除结的可能方法，直到结的一直到分子的末端。

这对于一种称为纳米烷基型映射的DNA测序可能有用，这涉及沿着窄管拉伸DNA并测量两个遗传序列之间的距离。该技术用于揭示大规模的基因组变化，例如基因重复或从一个染色体移动到另一条染色体的基因，但DNA中的结可以使其更难获得准确的数据。

对于已知纳米孔测序的另一种类型的DNA测序，诱导DNA中的结可能是有益的，因为结使得分子在通过测序仪行进时使分子减慢。这可以帮助研究人员获得更准确的顺序信息。

使用这种方法来从其他类型的聚合物中除去诸如用于使塑料的其他类型的聚合物也可能是有用的，因为结可以削弱材料。

研究人员正在研究与结相关的其他现象，包括从本文中研究的那些更复杂结的过程，以及分子中两节之间的相互作用。

该研究由国家科学基金会和新加坡国家研究基金会通过新加坡麻省理工学院联盟进行资助。

出版物：Alexander R.Klotz等，等，“在伸长田伸展的DNA中的结的运动”，“物理”。莱特牧师120,188003,2018; DOI：10.1103 / physrevlett.120.188003