211service.com
DNA bedraden
Door DNA tussen twee koolstofnanobuisjes te bedraden, hebben onderzoekers het vermogen van het molecuul om elektriciteit te geleiden gemeten. De introductie van slechts een enkele letterverandering kan de weerstand van het DNA drastisch veranderen, ontdekten de onderzoekers, een fenomeen dat ze van plan zijn te exploiteren met een apparaat dat snel DNA kan screenen op ziektegerelateerde mutaties.
Hot-wired: Door een dubbelstrengs DNA-segment in een opening in een enkelwandige koolstofnanobuis te plaatsen, hebben onderzoekers de elektrische eigenschappen van het biologische molecuul gemeten. Omdat zelfs een enkele mismatch in de DNA-letters de geleidbaarheid van het segment beïnvloedt, zou het systeem uiteindelijk de basis kunnen zijn van chemische sensoren om mutaties in DNA te detecteren.
Het meten van de elektrische eigenschappen van DNA is lastig gebleken omdat het molecuul en de bevestigingen aan elektroden vaak erg kwetsbaar zijn. Maar in de nieuwe studie Colin Nuckolls , een professor in de chemie aan de Columbia University in New York, werkte samen met Jacqueline Barton , een professor in de chemie aan Caltech, in Pasadena, CA, die een expert is in DNA-ladingstransport. De groep van Nuckolls had eerder een methode ontwikkeld om biologische moleculen veilig aan te sluiten op enkelwandige koolstofnanobuisjes, die fungeren als de elektroden in een minuscuul circuit.
De onderzoekers gebruikten een etsproces om een opening in een koolstofnanobuisje te snijden; ze creëerden een carbonzuurgroep op de nanobuis aan elk uiteinde van de opening. Vervolgens reageerden ze deze groepen met DNA-strengen waarvan de uiteinden waren gelabeld met aminegroepen, waardoor taaie chemische amideverbindingen ontstonden die de nanobuisjes en het DNA aan elkaar binden. De amidebindingen zijn robuust genoeg om enorme elektrische velden te weerstaan.
Het team schatte dat DNA-strengen van ongeveer 15 basenparen (ongeveer 6 nanometer) lang een weerstand hadden die ongeveer gelijk was aan die van een stuk grafiet van vergelijkbare grootte. Dit is een bevinding die de onderzoekers hadden kunnen verwachten, aangezien de chemische basenparen waaruit DNA bestaat, een stapel aromatische ringen creëren die vergelijkbaar zijn met die in grafiet.
Naar mijn mening zullen de resultaten van dit werk overleven, in tegenstelling tot veel andere publicaties over dit onderwerp, zegt chemicus Bernd Giese , van de Universiteit van Basel, Zwitserland. Eerdere schattingen van de geleidbaarheid van DNA liepen sterk uiteen, zegt Giese, deels omdat het onduidelijk was of het delicate DNA of de verbinding met de elektroden beschadigd was geraakt door de hoge spanningen die werden gebruikt. Men denkt dat men het DNA tot houtskool heeft verbrand, zegt Giese. Experimenteel is het extreem ingewikkeld.
Barton en Nuckolls voerden twee trucs uit met hun bekabelde DNA. Voor hun eerste introduceerden ze een restrictie-enzym dat het DNA op een specifieke volgorde bond en knipte. Toen het werd doorgesneden, verdween de stroom die door het DNA liep. Het is een manier om biochemisch een lont door te blazen, zegt Nuckolls. Het toont ook aan dat het DNA zijn oorspronkelijke structuur in het circuit behoudt; als dat niet het geval was, zou het enzym het molecuul niet herkennen en knippen.
Voor hun tweede truc introduceerden de onderzoekers een enkele basenpaar-mismatch in het DNA, zodat bijvoorbeeld een C werd gekoppeld aan een A (in plaats van zijn normale partner, G). Deze aanpassing verhoogde de weerstand van het molecuul met een factor 300, waarschijnlijk omdat het de dubbele helixstructuur vervormt. Ze zouden dit gemakkelijk kunnen doen door slechts één van de twee DNA-strengen in het circuit te verbinden. De tweede streng - die ofwel een perfecte match met de eerste kan zijn of een mismatch kan bevatten - kan aan of uit gaan.
Het aantonen van het elektrische effect van een dergelijke mismatch in sequenties en het knippen van enzymen is de echte kracht van de experimenten, zegt Danny Porath , van de Hebreeuwse Universiteit, in Jeruzalem, Israël, die ook stroom heeft gemeten via DNA. Ze spelen met de parameters en laten zien dat de geleidbaarheid van DNA er duidelijk van afhangt, en dat is mooi, zegt hij.
Nuckolls werkt nu aan het benutten van deze ontdekking om single nucleotide polymorphisms (SNP's) te detecteren, de variaties van één letter in DNA die verband houden met bijvoorbeeld de gevoeligheid voor de ziekte van Alzheimer, diabetes en vele andere belangrijke ziekten. Nuckolls hoopt dat zijn methode kan worden gebruikt om SNP's sneller en met grotere gevoeligheid te identificeren dan bestaande methoden. In zo'n apparaat wordt een referentiestreng van DNA in het circuit gestoken en andere strengen mogen ermee paren. Als de tweede streng een andere base draagt op de positie van de SNP, zou dit voldoende zijn om een verandering in de stroom door een circuit op nanoschaal teweeg te brengen, net zoals de mismatch van het basenpaar deed. Nuckolls zegt dat hij al samenwerkt met elektrotechnici om een sensor te maken die in bestaande halfgeleiderchips kan worden geplaatst, waardoor deze goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar is. Het is een van onze belangrijkste aandachtspunten en we zijn redelijk dichtbij, zegt hij.
Het team heeft waarschijnlijk concurrentie. Eind vorig jaar startte een groep onder leiding van Wonbong Choi , van de Florida International University, in Miami, meldde dat het 80 basenparen DNA tussen twee koolstofnanobuisjes had geregen en stroom door het DNA had gestuurd. Choi zegt dat hij werkt aan het maken van een sensor die snel de aanwezigheid van specifieke genetische sequenties kan onthullen, zoals het vogelgriepvirus, door te kijken naar veranderingen in de stroom door het kleine circuit.
Barton is ondertussen van plan uit te zoeken of de geleidbaarheid van DNA een biologisch doel in de cel dient. Ze heeft bewijs dat eiwitten die aan DNA zijn gebonden, DNA-schade kunnen detecteren door veranderingen in de elektrische eigenschappen ervan, waardoor de schade mogelijk wordt hersteld. We denken dat het iets is waar de natuur misbruik van maakt, zegt ze. Het is een radicaal idee, maar ik denk dat naarmate we meer en meer bewijs krijgen, de zaak zal worden opgebouwd.