让下一代材料与DNA

而DNA往往是理想化的“生命的分子”,这也是一个高度复杂的聚合物,可用于新一代材料。事实上它可以存储信息,进一步DNA的迷人的方面是它的几何和拓扑属性,如打结和super-coiling。的确,很像一个扭曲的电话绳,DNA是经常发现盘内部细菌和其他细胞在病毒甚至打结。现在,来自爱丁堡大学的科学家合作,圣地亚哥和维也纳已经开始利用这些属性工艺“拓扑可调”基于dna的复杂流体和软材料潜在的应用在药物输送和组织再生发表在科学进步。

著名的双螺旋DNA的形状对其行为产生深远的影响。一个线性DNA分子,这是一个DNA分子两端,可以自由地迂回曲折。相比之下,加入了两端形成DNA循环需要任何或扭曲的双螺旋仍然“拓扑锁定”即不能删除额外的扭转不削减分子。或在曲折有趣的结果对DNA分子排列在空间——特别是,线圈和扣到自己很像一个旧电话绳到所谓的超螺旋构象(图1)。DNA的屈曲/扭下缓解压力,从而降低了分子的总体规模。因此人们认为成为超螺旋是一种自然机制受雇于细胞基因组打包成小空间。自然而规模较小导致更快的DNA分子在溶液中扩散如在水中或通过毛孔凝胶,因为较低的阻力,这很好理解的行为不会发生在许多DNA分子拥挤而纠缠像意大利面条在碗里。

“我们已经执行大规模密集的解决方案的计算机模拟不同程度的成为超螺旋DNA分子,发现一些令人惊讶的结果。”维也纳大学的Jan Smrek解释说,这项研究的第一作者。“在稀释的情况相比,超螺旋DNA环越多,更大的规模。”Since the molecules need to avoid each other, their shapes adopt strongly asymmetric and branched conformations that occupy more volume than their non-supercoiled counterparts. Intriguingly, and contrary to expectations, "the larger DNA molecules still yield faster diffusion." The faster diffusion means that the solution has lower viscosity.

超螺旋DNA分子发生自然在细菌质粒。体内,细胞具有特殊的蛋白质称为拓扑异构酶,可以减少成为超螺旋质粒。“谢谢这些蛋白质——可以净化和使用在实验室里,我们能够控制的范围在纠缠成为超螺旋DNA质粒并使用荧光染料研究他们的动态。我们惊讶地发现,事实上,质粒DNA拓扑异构酶处理,因此成为超螺旋较低,低于高度超螺旋同行。”雷罗伯逊安德森解释说,他领导了圣地亚哥大学的实验。

解释这个令人惊讶的速度动态科学家们利用大型超级计算机上模拟量化纠缠中的分子如何解决方案。而众所周知,环状聚合物,与环状DNA质粒,可以由另一个线程的戒指,这意味着后者可以通过眼睛前,皮尔斯还不知道这种类型的纠缠如何影响DNA超螺旋的运动。由于模拟,成为超螺旋的科学家发现,高度降低了穿透每个分子产生的领域,反过来,减少线程之间的粘度较低的质粒,最终产生一个解决方案。然而,质粒仍然可以环绕另一个没有线程和约束彼此的运动。然而,成为超螺旋僵硬的构象,从而使他们不太容易弯曲和纠缠,这样可以减少这种类型的纠缠。

爱丁堡大学的大卫。Michieletto总结道,“我们不仅发现这些小说在模拟效果,但我们也实验演示了这些趋势和发展一个理论定量描述它们。通过改变成为超螺旋,我们可以调整这些复杂流体的粘度。我们现在理解更好的分子的自适应几何之间的联系和由此产生的材料属性。从最根本的角度来看,这不仅是令人兴奋的但还承诺有用的应用程序。使用专用的酶,如拓扑异构酶,可以设计可切换的dna软材料具有可调的特性。”

参考:Smrek J, Garamella J, Robertson-Anderson R, Michieletto d拓扑优化的DNA超螺旋质粒的流动性在纠缠的解决方案。Sci副词。2021;7 (20):eabf9260。doi:10.1126 / sciadv.abf9260

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