Una tecnica di imaging avanzata rivela nuovi dettagli strutturali dell'S-DNA, DNA a forma di scala che si forma quando la molecola sperimenta una tensione estrema. Questo lavoro condotto presso i Sandia National Laboratories e la Vrije University nei Paesi Bassi fornisce la prima prova sperimentale che l'S-DNA contiene coppie di basi altamente inclinate.

L'accoppiamento prevedibile e l'impilamento delle coppie di basi del DNA aiutano a definire la forma a doppia elica della molecola. Comprendere come le coppie di basi si riallineano quando il DNA viene allungato potrebbe fornire informazioni su una serie di processi biologici e migliorare la progettazione e le prestazioni dei nanodispositivi costruiti con il DNA. Le coppie di basi inclinate in S-DNA allungato sono state precedentemente previste utilizzando simulazioni al computer, ma mai definitivamente dimostrato in esperimenti fino ad ora, secondo un recente articolo su Science Advances.

Il DNA è più comunemente conosciuto come il vettore molecolare dell'informazione genetica. Però, nei laboratori di ricerca di tutto il mondo, ha anche un altro uso:materiale da costruzione per dispositivi su scala nanometrica. Per fare questo, gli scienziati preparano sequenze generate al computer di DNA a filamento singolo in modo che alcune sezioni formino coppie di basi con altre sezioni. Questo costringe il filo a piegarsi e piegarsi come un origami. I ricercatori hanno usato questo principio per piegare il DNA in microscopiche faccine sorridenti, nanomacchine con cerniere e pistoni mobili e materiali "intelligenti" che si adattano spontaneamente ai cambiamenti dell'ambiente chimico circostante.

"Per costruire un aereo o un ponte, è importante conoscere la struttura, resistenza ed elasticità di ogni materiale che è entrato in esso, "ha detto Adam Backer, uno scienziato ottico a Sandia e autore principale dello studio. "La stessa cosa è vera quando si progettano nanostrutture con il DNA".

Sebbene si sappia molto sulle proprietà meccaniche della doppia elica del DNA, rimangono misteri sui dettagli della sua forma quando la molecola viene allungata in un laboratorio per formare la struttura a scala dell'S-DNA. I modi standard di visualizzare la struttura del DNA non possono tenere traccia dei cambiamenti strutturali mentre la molecola si srotola.

Vedere il DNA allungato

Per caratterizzare la struttura e l'elasticità dell'S-DNA, Backer ha lavorato con i colleghi del gruppo di ricerca Physics of Living Systems presso LaserLaB Amsterdam presso l'Università di Vrije. I ricercatori hanno descritto il loro processo nell'articolo di giornale. Utilizzando la strumentazione sviluppata dai suoi colleghi, Backer ha prima attaccato una perlina microscopica a ciascuna estremità di un breve pezzo di DNA virale. Queste perle servivano da maniglie per manipolare una singola molecola di DNA.

Prossimo, i ricercatori hanno intrappolato il DNA di perline in una stretta camera piena di liquido utilizzando due raggi laser strettamente focalizzati. Poiché le perline rimangono intrappolate all'interno dei raggi laser, i ricercatori potrebbero spostare le perline nella camera reindirizzando i raggi laser. Ciò ha permesso loro di allungare il DNA attaccato per formare S-DNA. Questa tecnica per manipolare particelle microscopiche, chiamate pinzette ottiche, forniva anche un controllo preciso sulla quantità di forza di stiramento applicata a una singola molecola di DNA.

Però, i cambiamenti strutturali che si verificano all'interno della molecola di DNA allungato erano troppo piccoli per essere osservati direttamente con un microscopio ottico standard. Per affrontare questa sfida, Backer ha aiutato i suoi colleghi a combinare un metodo di imaging chiamato microscopia a polarizzazione a fluorescenza con lo strumento delle pinzette ottiche. Primo, hanno aggiunto piccoli, molecole di colorante fluorescente a bastoncino alla soluzione contenente DNA otticamente intrappolato. Nel DNA non stirato, le molecole di colorante si inseriscono tra insiemi vicini di coppie di basi e si allineano perpendicolarmente all'asse centrale della doppia elica. Se una forza di stiramento fa inclinare le coppie di basi del DNA, anche i coloranti si inclineranno.

Prossimo, i ricercatori hanno utilizzato i segnali fluorescenti dei coloranti per determinare se le coppie di basi nel DNA allungato si sono inclinate. I coloranti fluorescenti emettono luce fluorescente verde quando interagiscono con onde luminose provenienti da un raggio laser che punta lungo lo stesso asse delle molecole di colorante. I ricercatori hanno cambiato l'orientamento delle onde luminose ruotando la polarizzazione di un raggio laser attraverso vari angoli. Quindi, hanno allungato il DNA e osservato la comparsa di segnali fluorescenti verdi al microscopio. Da queste misurazioni, e metodi di analisi computazionale sviluppati a Sandia, i ricercatori hanno determinato che i coloranti, e quindi le coppie di basi, allineato con un angolo di 54 gradi rispetto all'asse centrale del DNA.

"Questo esperimento fornisce la prova più diretta fino ad oggi a sostegno dell'ipotesi che l'S-DNA contenga coppie di basi inclinate, " ha detto Backer. "Per ottenere questa comprensione fondamentalmente nuova del DNA, era necessario combinare una serie di tecnologie all'avanguardia e riunire scienziati di una vasta gamma di discipline tecniche diverse per lavorare verso un obiettivo comune".

C'è una diffusa speculazione tra gli scienziati che strutture simili a S-DNA possono formarsi durante le attività quotidiane delle cellule umane, ma, attualmente, lo scopo biologico dell'S-DNA è ancora sconosciuto. L'S-DNA potrebbe facilitare la riparazione del DNA danneggiato o rotto, aiutando a difendersi dalla morte cellulare e dal cancro. Backer spera che questa comprensione più chiara dei principi fisici che governano la deformazione del DNA guidi ulteriori ricerche sul ruolo dell'S-DNA nelle cellule.

Quando Backer si è unito a Sandia come Truman Fellow nel novembre 2016, ha avuto l'opportunità di avviare un programma di ricerca indipendente di sua progettazione. Aveva sviluppato un metodo per la microscopia di polarizzazione durante la scuola di specializzazione presso la Stanford University e pensava che la tecnica avesse del potenziale. Ha detto Backer:"A Sandia volevo spingere questa tecnica il più lontano possibile. Il fatto che questo lavoro abbia portato a risultati con potenziale rilevanza per campi come la biologia e la nanotecnologia è stato straordinario".