Forskare vid University of Cambridge har visat att DNA bildar vridna spolar snarare än knutar när det passerar genom små nanoporer, vilket utmanar en länge hållen uppfattning inom genetik. Denna upptäckt, driven av elektroosmotiskt flöde, kan förfina DNA-detektionstekniker och förbättra upptäckt av genetiska skador. Resultaten publiceras i Physical Review X.
I årtionden har forskare tolkat oregelbundna elektriska signaler i nanoporexperiment som bevis på DNA-knutar, likt ett trasslat snör som fastnar i ett smalt hål. Denna syn har styrt analysen av genetiska data, med antagandet att ojämn translokation indikerar knutna trådar. En ny studie från University of Cambridge, i samarbete med internationella team, visar att dessa signaler ofta kommer från plectonemer — vridna spolar som liknar en lindad telefonledning — istället för verkliga knutar. När DNA trådas genom nanoporen genererar det inre jonflödet vridmoment, som snurrar tråden och bildar dessa ihållande vridningar utanför poren. «Våra experiment visade att när DNA dras genom nanoporen vrider det inre jonflödet tråden, ackumulerar vridmoment och lindar den till plectonemer, inte bara knutar», sade försteförfattaren Dr. Fei Zheng vid Cavendish Laboratory. «Denna 'dolda' vridna struktur har ett distinkt, långvarigt fingeravtryck i den elektriska signalen, till skillnad från knutarnas mer övergående signatur.» Teamet genomförde tester med glaspipetter och kiselkväve nanoporer under varierande spänningar och förhållanden. De observerade frekventa 'trassliga' händelser, särskilt med längre DNA-trådar och högre spänningar, som knuteori inte fullt ut kunde förklara. Datorsimuleringar bekräftade att elektroosmotiskt flöde — vattenrörelse inducerad av elektriska fält — förplanterar vridning längs DNA och möjliggör plectonem-bildning. Ytterligare bevis kom från experiment med 'nickat' DNA, där avbrott i tråden hindrade vridningsförplantning och kraftigt minskade plectonemer. Detta understryker intakt DNAs roll i att överföra vridmoment. «Det som är verkligen kraftfullt här är att vi nu kan skilja på knutar och plectonemer i nanoporesignalen baserat på hur länge de varar», noterade Prof. Ulrich F. Keyser, medförfattare vid Cavendish Laboratory. «Knatar passerar snabbt, som en kort bula, medan plectonemer dröjer sig kvar och skapar förlängda signaler.» Dessa insikter sträcker sig till biologin, där DNA-vridning påverkar genomstabilitet under enzymprocesser. Teknologiskt lovar skillnaden mellan plectonemer och knutar mer precisa nanoporesensorer för genomik, biosensning och tidig detektion av DNA-skador kopplade till sjukdomar.
