211service.com
Koppla upp DNA
Genom att koppla ihop DNA mellan två kolnanorör har forskare mätt molekylens förmåga att leda elektricitet. Att bara införa en enda bokstavsändring kan drastiskt förändra DNA:s motståndskraft, fann forskarna, ett fenomen som de planerar att utnyttja med en enhet som snabbt kan screena DNA för sjukdomslänkade mutationer.
Hot-wired: Genom att placera ett dubbelsträngat DNA-segment i en lucka i ett enkelväggigt kolnanorör har forskare mätt den biologiska molekylens elektriska egenskaper. Eftersom till och med en enda felmatchning i DNA-bokstäverna påverkar segmentets konduktivitet, kan systemet så småningom vara grunden för kemiska sensorer för att upptäcka mutationer i DNA.
Att mäta de elektriska egenskaperna hos DNA har visat sig vara svårt eftersom molekylen och dess fästen vid elektroder tenderar att vara mycket ömtåliga. Men i den nya studien, Colin Nuckolls , en professor i kemi vid Columbia University, i New York, samarbetade med Jacqueline Barton , professor i kemi vid Caltech, i Pasadena, CA, som är expert på DNA-laddningstransport. Nuckolls grupp hade tidigare utvecklat en metod för att säkert koppla upp biologiska molekyler till enkelväggiga kolnanorör, som fungerar som elektroder i en liten krets.
Forskarna använde en etsningsprocess för att skära en lucka i ett kolnanorör; de skapade en karboxylsyragrupp på nanoröret i varje ände av gapet. De reagerade sedan dessa grupper med DNA-strängar vars ändar hade märkts med amingrupper, vilket skapade tuffa kemiska amidlänkar som binder samman nanorören och DNA. Amidlänkarna är tillräckligt robusta för att motstå enorma elektriska fält.
Teamet uppskattade att DNA-strängar på cirka 15 baspar (cirka 6 nanometer) i längd hade en resistans som ungefär motsvarar den hos en grafitbit av liknande storlek. Detta är ett fynd som forskarna kan ha förväntat sig eftersom de kemiska basparen som utgör DNA skapar en stapel av aromatiska ringar som liknar dem i grafit.
Enligt min åsikt kommer resultaten av detta arbete att överleva, i motsats till många andra publikationer om detta ämne, säger kemist Bernd Giese , vid universitetet i Basel, Schweiz. Tidigare uppskattningar av DNA:s konduktivitet har varierat dramatiskt, säger Giese, delvis för att det var oklart om det känsliga DNA:t eller dess anslutning till elektroder hade skadats av de höga spänningarna som användes. Man tror att man har bränt DNA:t till kol, säger Giese. Det är extremt komplicerat experimentellt.
Barton och Nuckolls utförde två trick med sitt uppkopplade DNA. För det första introducerade de ett restriktionsenzym som band och skar DNA:t i en specifik sekvens. När den bröts av försvann strömmen som gick genom DNA:t. Det är ett sätt att biokemiskt blåsa en säkring, säger Nuckolls. Det visar också att DNA:t behåller sin ursprungliga struktur i kretsen; om det inte hade gjort det skulle enzymet inte känna igen och skära molekylen.
För sitt andra trick introducerade forskarna en enstaka basparsfelmatchning i DNA:t så att till exempel ett C parades ihop med ett A (snarare än dess normala partner, G). Denna justering ökade molekylens motstånd cirka 300 gånger, förmodligen för att den förvränger den dubbla spiralformade strukturen. De kunde göra detta enkelt genom att bara koppla en av DNA:s två strängar till kretsen. Den andra tråden - som antingen kan vara en perfekt matchning till den första eller innehålla en felmatchning - kan lyftas på eller av.
Att visa den elektriska effekten av sådan sekvensfelpassning och enzymskärning är den verkliga styrkan i experimenten, säger Danny Porath , från Hebrew University, i Jerusalem, Israel, som också har mätt ström genom DNA. De leker med parametrarna och visar att ledningsförmågan hos DNA helt klart beror på dem, och det är vackert, säger han.
Nuckolls arbetar nu med att utnyttja denna upptäckt för att upptäcka singelnukleotidpolymorfismer (SNP), de enbokstavsvariationer i DNA som är kopplade till till exempel mottaglighet för Alzheimers, diabetes och många andra stora sjukdomar. Nuckolls hoppas att hans metod kan användas för att identifiera SNP snabbare och med större känslighet än befintliga metoder. I en sådan anordning kopplas en referenssträng av DNA in i kretsen och andra strängar får paras ihop med den. Om den andra strängen bär en annan bas vid positionen för SNP, skulle detta vara tillräckligt för att utlösa en förändring i strömmen genom en nanoskala krets, precis som basparsmissanpassningen gjorde. Nuckolls säger att han redan arbetar med elektriska ingenjörer för att skapa en sensor som kan passa in i befintliga halvledarchips, vilket gör den billig och lättillgänglig. Det är ett av våra stora fokus, och vi är ganska nära, säger han.
Laget kommer sannolikt att få konkurrens. I slutet av förra året ledde en grupp av Wonbong Choi , från Florida International University, i Miami, rapporterade att den hade satt upp 80 baspar av DNA mellan två kolnanorör och skickat ström genom DNA:t. Choi säger att han arbetar med att skapa en sensor som snabbt kan avslöja närvaron av specifika genetiska sekvenser – som fågelinfluensaviruset – genom att titta på förändringar i ström genom den lilla kretsen.
Barton, under tiden, är inställd på att ta reda på om konduktiviteten hos DNA tjänar något biologiskt syfte i cellen. Hon har bevis för att proteiner bundna till DNA kan upptäcka DNA-skador genom förändringar i dess elektriska egenskaper, vilket kanske utlöser reparation av skadan. Vi tror att det är något naturen tar vara på, säger hon. Det är en radikal idé, men jag tror att när vi får mer och mer bevis kommer fallet att byggas upp.