ケンブリッジ大学の研究者らが、DNAが微小なナノポアを通過する際に結び目ではなくねじれたコイルを形成することを明らかにし、遺伝学における長年の仮定に挑戦した。この発見は電気浸透流によって駆動され、DNAセンシング技術を洗練し、遺伝的損傷の検出を改善する可能性がある。知見はPhysical Review Xに掲載された。
数十年にわたり、科学者らはナノポア実験における不規則な電気信号を、狭い穴に引っかかる靴紐のように絡まったDNAの結び目の証拠と解釈してきた。この見方は遺伝子データの解析を導き、不均一なトランスロケーションは結びついた糸を示すと仮定していた。ケンブリッジ大学の新研究は、国際チームとの協力で、これらの信号がしばしばプレクトネメス——コイル状の電話コードに似たねじれたコイル——に由来し、真の結び目ではないことを示した。DNAがナノポアを通過する際、内部のイオン流がトルクを生み、糸を回転させてポア外に持続的なねじれを形成する。「実験では、DNAをナノポアに引き込むと内部のイオン流が糸をねじり、トルクを蓄積してプレクトネメスに巻き上げるが、単なる結び目ではないことがわかった」と、キャベンディッシュ研究所の主任著者Fei Zheng博士は述べた。「この『隠れた』ねじれ構造は電気信号に特徴的で長続きする指紋を残すが、結び目はより一過性の署名を持つ。」チームはガラスと窒化ケイ素ナノポアを使い、さまざまな電圧と条件下でテストを実施した。長いDNA糸と高い電圧で頻繁に『絡まった』事象を観察し、結び目理論では完全に説明できなかった。コンピュータシミュレーションは、電場による水の動きである電気浸透流がDNA沿いにねじれを伝播し、プレクトネメス形成を可能にすると確認した。さらに『ニックス』DNA実験では、糸の途切れがねじれ伝播を防ぎ、プレクトネメスを大幅に減少させた。これは完全なDNAのトルク伝達役割を強調する。「ここで強力なのは、ナノポア信号で持続時間から結び目とプレクトネメスを区別できる点だ」とキャベンディッシュ研究所の共著者Ulrich F. Keyser教授は指摘した。「結び目は素早く通り抜け、短いバンプのようなものだが、プレクトネメスは長く続き、延長された信号を生む。」これらの洞察は生物学に及び、酵素過程中のゲノム安定性にDNAねじれが影響を与える。技術的には、プレクトネメスと結び目を区別することで、ゲノミクス、生体センシング、疾患関連DNA損傷の早期検出に精密なナノポアセンサーを約束する。
