ДНК-домино на чипе: носители генетической информации, упакованные вместе на биочипе, как в природе.

Воссоздание важных биологических процессов в клетках, чтобы лучше понять их, в настоящее время является основной темой исследований. Теперь физикам Мюнхенского технического университета и Института Вейцмана в Реховоте впервые удалось провести контролируемую так называемую конденсацию ДНК на биочипе. Этот процесс вступает в игру всякий раз, когда молекулы ДНК плотно упакованы в ограниченное пространство, например, в обстоятельствах, ограничивающих доступный объем.Такая ситуация возникает в ядрах клеток и в белковых оболочках вирусов, а также в головках сперматозоидов.

Это явление интересно также с физической точки зрения, потому что оно представляет собой своего рода фазовый переход. Двойные спирали ДНК, которые обычно отталкиваются друг от друга из-за своих отрицательных зарядов, затем плотно упаковываются вместе. «В этом конденсированном состоянии они принимают почти кристаллическую структуру», — говорит соавтор и профессор Технического университета Фридрих Зиммель.Нано-волосыМеждународная группа под руководством Зиммеля и его израильского коллеги Роя Бар-Зива смогла плотно связать молекулы ДНК длиной всего одну тысячную миллиметра (то есть несколько тысяч пар оснований каждая) с наноструктурами различной ширины на чипе.

Результат выглядит так, как будто исследователи посадили крошечные волоски на поверхность чипа.Из-за своего отрицательного заряда молекулы ДНК отталкиваются друг от друга, создавая вид крошечных наношерсток, стоящих дыбом.

Процесс конденсации начался, когда исследователи добавили агент под названием спермидин, молекулы которого имеют несколько положительных зарядов. Ранее вертикальные нити ДНК схлопывались одна за другой, систематически опускаясь на тонкие структуры следующей нити.

Это похоже на каскад домино на наноуровне. В результате образовались компактные слои молекул ДНК, упакованные так же плотно, как и в ядрах клеток. Все молекулы ДНК упали по заданному пути. «Это очень драматический процесс», — говорит Зиммель. «ДНК мгновенно связывается в одном направлении».Конденсация и деконденсация, то есть возобновленная распаковка цепей ДНК, играют важную роль в таких процессах, как экспрессия генов.

Например, когда молекулы ДНК плотно упакованы, закодированная в них информация не может быть прочитана.Новый взгляд на ДНК-чипТаким образом, у исследователей есть дополнительный строительный блок для создания искусственных ячеек на поверхности чипов и изучения всех связанных с ними явлений. «Вполне правдоподобно реализовать клеточные системы с плотно упакованной ДНК на чипе», — говорит Зиммель.

Затем конденсацию ДНК можно было бы использовать для улучшения контроля экспрессии генов и копирования генетической информации в этих типах искусственных клеток.В принципе, можно также использовать плотно упакованные молекулы ДНК для передачи и распределения сигналов и информации через своего рода проводящий путь на таких биочипах. Конденсация и деконденсация могут использоваться как переключатели включения / выключения с хорошим временным контролем.

Фридрих Зиммель не был бы страстным исследователем, если бы он, помимо перспектив технических приложений, не уделял внимания основам физики. «Мы также хотим понять условия фазового перехода при конденсации», — говорит Зиммель. «Для этого у нас есть идеальные условия на чипе. Мы можем точно контролировать, где происходит конденсация и сколько времени это занимает».Это чем-то похоже на переохлажденную воду или пиво в морозильной камере, в которой жидкость резко замерзает, начиная с определенной точки с зародышем кристаллизации, а затем распространяется оттуда наружу.

Единственное отличие состоит в том, что фазовый переход контролируется не температурой, а концентрацией положительно заряженных молекул. Исследование финансировалось Фондом Volkswagen, Немецким исследовательским фондом через Мюнхенскую инициативу по кластерным наносистемам передового опыта (NIM), Израильским научным фондом и фондом Minerva 80.