(Phys.org) — Quando i ricercatori dell'Illinois hanno deciso di studiare un metodo per controllare il modo in cui il DNA si muove attraverso un minuscolo dispositivo di sequenziamento, non sapevano che stavano per assistere a un'esibizione di ginnastica molecolare.

Veloce, Il sequenziamento del DNA accurato e conveniente è il primo passo verso la medicina personalizzata. Infilare una molecola di DNA attraverso un minuscolo foro, chiamato nanoporo, in un foglio di grafene permette ai ricercatori di leggere la sequenza del DNA; però, hanno un controllo limitato sulla velocità con cui il DNA si muove attraverso il poro. In un nuovo studio pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , Il professore di fisica dell'Università dell'Illinois Aleksei Aksimentiev e lo studente laureato Manish Shankla hanno applicato una carica elettrica al foglio di grafene, sperando che il DNA reagisse alla carica in un modo che permettesse loro di controllare il suo movimento fino a ogni singolo collegamento, o nucleotide, nella catena del DNA.

"Idealmente, vorresti far passare il DNA attraverso il nanoporo un nucleotide alla volta, " ha detto Aksimentiev. "Prendere una misurazione e poi avere un altro nucleotide nel foro di rilevamento. questo è l'obiettivo, e non è stato ancora realizzato. Mostriamo che, di qualche grado, possiamo controllare il processo caricando il grafene".

I ricercatori hanno scoperto che una carica positiva nel grafene accelera il movimento del DNA attraverso il nanoporo, mentre una carica negativa ferma il DNA nelle sue tracce. Però, mentre guardavano, il DNA sembrava danzare sulla superficie del grafene, piroettando in forme che non avevano mai visto, specifico per la sequenza dei nucleotidi del DNA.

"Mi ricorda il Lago dei cigni, " Aksimentiev ha detto. "E 'molto acrobatico. Siamo rimasti molto sorpresi dalla varietà di conformazioni del DNA che possiamo osservare sulla superficie del grafene quando lo carichiamo. C'è una sequenza che inizia sdraiandosi sulla superficie, e quando cambiamo la carica, si inclinano tutti di lato come se stessero facendo un push-up con un braccio solo. Poi abbiamo anche i nucleotidi che si sdraieranno, o salire come una ballerina en pointe."

Guarda un'animazione video del DNA che danza mentre cambia la carica di grafene:

Aksimentiev ipotizza che le conformazioni siano così diverse e così specifiche della sequenza perché ogni nucleotide ha una distribuzione di elettroni leggermente diversa, le parti caricate negativamente degli atomi. C'è anche una differenza visibile quando un nucleotide è metilato, un piccolo cambiamento chimico che può attivare o disattivare un gene.

Commutando la carica nel grafene, i ricercatori possono controllare non solo il movimento del DNA attraverso il poro, ma anche la forma in cui si contorce il DNA.

"Perché è reversibile, possiamo costringerlo ad adottare una conformazione e poi costringerlo a tornare indietro. Ecco perché la chiamiamo ginnastica, " ha detto Aksimentiev.

I ricercatori hanno ampiamente utilizzato il supercomputer Blue Waters presso il National Center for Supercomputing Applications, ospitato presso l'Università dell'Illinois. Hanno mappato ogni singolo atomo nella complessa molecola di DNA e hanno eseguito numerose simulazioni di molte diverse sequenze di DNA. La potenza di supercalcolo era essenziale per eseguire il lavoro, ha detto Aksimentiev.

"Questo è un progetto molto impegnativo dal punto di vista computazionale, " ha detto. "Avere accesso a Blue Waters era essenziale perché con l'enorme numero di simulazioni, non saremmo stati in grado di finirli. Ci sarebbe voluto troppo tempo".

Il prossimo passo è combinare una configurazione di nanopori carichi con un sensore per costruire un dispositivo di sequenziamento del DNA che incorpori sia il controllo del movimento che il riconoscimento dei nucleotidi. I ricercatori sperano anche di esplorare gli inaspettati cambiamenti conformazionali per approfondimenti sull'epigenetica, il campo che studia come i geni sono espressi e moderati.

"Il DNA è molto più complicato di una semplice doppia elica. È una molecola complessa che ha molte proprietà, e li stiamo ancora scoprendo, " ha detto Aksimentiev.