Das Ziel, das von einem Forschungsteam unter der Leitung von Cristian Micheletti von der SISSA verfolgt und kürzlich in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, bestand darin, genau zu rekonstruieren, wie die Teile eines komplexen Moleküls zusammengehalten werden, wenn man weiß, wie sich das Molekül zersetzt und auflöst. Indem sie sich auf das Abwickeln einer DNA-Doppelhelix während der Verdrängung mit hoher Geschwindigkeit durch eine Nanopore konzentrierten, rekonstruierten die Forscher grundlegende thermodynamische Parameter der DNA aus der Einzelgeschwindigkeit des Ereignisses.
Es ist allgemein bekannt, dass die Translokation von Polymeren durch Nanoporen ein wichtiges theoretisches Thema mit zahlreichen praktischen Anwendungen, wie der Genomsequenzierung, ist. Erinnern Sie sich, dass im zweiten Fall ein DNA-Filament gezwungen wird, durch eine Pore zu gehen, die klein genug ist, dass nur ein Doppelhelix-Strang passieren kann, während der andere Strang zurückbleibt. Der resultierende Unzip-Effekt ist das unvermeidliche Spalten und Entwirren der verdrängten DNA-Doppelhelix.
Erstautor Antonio Suma von der Universität Bari und Vincenzo Carnevale von der Temple University sind ebenfalls Mitglieder des Forschungsteams. Sie verwendeten einen Computercluster, um den Prozess zu simulieren, wobei verschiedene Triebkräfte die Geschwindigkeit verfolgten, mit der sich die DNA entfaltete; Dies ist eine Art von Daten, die, obwohl sie in Experimenten leicht zu erhalten sind, nicht viel Aufmerksamkeit erhalten haben.
Die Entwicklung und Physik der Struktur der DNA-Doppelhelix
Unter Verwendung zuvor veröffentlichter theoretischer und mathematischer Modelle konnten die Forscher mithilfe von geschwindigkeitsbezogenen Informationen "rückwärts arbeiten", um die Thermodynamik der Entwicklung und des Bruchs der Doppelhelixstruktur genau zu rekonstruieren.
Den Forschern zufolge „basierten frühere Ideen auf der genauen Kenntnis der Thermodynamik eines molekularen Systems, die dann verwendet wurde, um die Reaktion auf mehr oder weniger aufdringliche äußere Drücke vorherzusagen. Dies allein stellt eine erhebliche Herausforderung dar. Um die Eigenschaften der Thermodynamik zu rekonstruieren, betrachteten wir das gegenteilige Problem: Wir gingen von der Reaktion der DNA auf starke Stressoren aus, wie etwa die erzwungene Auflösung der Doppelhelix.
„Das Experiment schien aufgrund der aufdringlichen und schnellen Natur des Reißverschlussöffnungsprozesses zum Scheitern verurteilt, weshalb es wahrscheinlich noch nie zuvor durchgeführt worden war. Wir erkannten auch, dass relevante theoretische und mathematische Modelle uns gegebenenfalls eine praktikable Lösung des Problems liefern könnten. Nachdem wir uns die große Menge an gesammelten Daten angesehen hatten, waren wir wirklich gespannt, dass dies genau der Fall war; Wir waren froh, dass wir das richtige Gespür hatten.“
Da die in der Studie verwendete Methode universell ist, glauben die Forscher, dass sie sie auf andere molekulare Systeme jenseits der DNA anwenden könnte, die noch weitgehend unbekannt sind. Ein Beispiel sind molekulare Motoren, die Aggregate von Proteinen sind, die Energie verwenden, um zyklische Umwandlungen zu durchlaufen, wie die Motoren in unserem täglichen Leben.
„Studien zu molekularen Motoren haben bisher damit begonnen, Annahmen über ihre Thermodynamik zu treffen und die Vorhersagen mit experimentellen Daten zu vergleichen. Die neue Methode, die wir mit offensichtlichen konzeptionellen und praktischen Vorteilen demonstriert haben, wird die Annahme des umgekehrten Pfads ermöglichen, d. h. die Verwendung von Daten aus Nichtgleichgewichtstests, um die Thermodynamik zu retten.“
Quelle: phys.org/news
📩 19/03/2023 15:02