Entmystifizierung der Kinetik der DNA-Hybridisierung

Nanowissenschaftler und theoretische Physiker am EMBL Australia Node in Single Molecule Science von UNSW Medicine & Health haben sich zusammengetan, um die komplizierten Mechanismen zu entmystifizieren, die bestimmen, wie schnell zwei übereinstimmende DNA-Stränge vollständig zusammenkommen – oder hybridisieren – können, um doppelsträngige DNA zu bilden. Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Nukleinsäureforschung.

Vor etwa 50 Jahren wurde eine Theorie aufgestellt, die die Hypothese aufstellte, dass die Geschwindigkeit der Hybridisierung von DNA-Strängen durch den anfänglichen Kontakt bestimmt wird, der zu einer weiteren Bindung der Kette übereinstimmender Basen an den DNA-Strängen führt – sogenannte nukleierende Wechselwirkungen. Bisher war diese Theorie aufgrund der vielen Komplexitäten rund um die DNA-Biologie nie bewiesen worden.

„Es gibt eine enorme Anzahl von Wegen, über die zwei vollständig dissoziierte Stränge aneinander binden können. DNA-Stränge kommen nicht sofort zu einem vollständig hybridisierten Duplex zusammen. Irgendwann werden sich nur zwei oder drei Basenpaare spontan verbinden. Das ist ein kernbildendes Ereignis“, sagte außerordentlicher Professor Lawrence Lee, der das Forscherteam von UNSW Medicine & Health, UNSW Science und dem Imperial College London leitete.

„Wir haben ein einfaches mathematisches Modell aufgebaut, das nur zwei Parameter hat, und gefragt: Wenn wir nur wüssten, wie viele Keimbildungswechselwirkungen es gab und wie stabil sie waren, können wir Hybridisierungsraten vorhersagen? Und wir fanden heraus, dass die Antwort ja war.“ er sagte.

Um dieses Modell quantitativ zu testen, übersetzte das Forschungsteam die ursprüngliche Hypothese in eine mathematische Formel, mit der sie ihre experimentellen Beobachtungen mit synthetischer DNA messen konnten.

A/Prof Lee erklärt, dass Einfachheit entscheidend für die Vorhersagekraft ihres Modells war.

„Wenn ein mathematisches Modell zu viele verschiedene Parameter enthält, ist es für Vorhersagen nicht mehr brauchbar. Der entscheidende Unterschied zu früheren Versuchen, DNA-Hybridisierungsraten zu verstehen, bestand darin, dass unser Modell wenige Parameter hatte und gegen DNA-Sequenzen getestet wurde, die keine Sekundärstrukturen bilden sollten ,“ er sagte.

DNA-Sekundärstrukturen bilden sich, wenn sich die Stränge auf sich selbst falten, was möglicherweise Nukleations- und Bindungsstellen verdeckt.

„Die Theorie ist, wenn diese anfängliche kleine Wechselwirkung stabil genug ist, wird sie von dort zu einem sehr schnellen Reißverschluss der DNA-Stränge führen. Wenn der begrenzende Schritt die Keimbildung ist, folgt daraus, dass, wenn Sie mehr Keimbildungszustände haben, dann die DNA sollte schneller hybridisieren“, sagte A/Prof Lee.

Diese Entdeckung hat das Potenzial, unser Verständnis biologischer Systeme zu verbessern. Die Fähigkeit, die Geschwindigkeit der DNA-Hybridisierung vorherzusagen oder zu kontrollieren, könnte auch dazu beitragen, den Nutzen von Nanotechnologien zu verfeinern oder zu erweitern. Mit diesem neuen Verständnis können Forscher die Anzahl und Stabilität von Nukleationswechselwirkungen anpassen und wiederum die Geschwindigkeit der DNA-Bindung steuern. Dies kann auf viele Arten erreicht werden, einschließlich durch Veränderung der Reaktionstemperatur, der DNA-Sequenz und der Ionenstärke der Lösung.

„Wir können hochauflösende Bilder mit DNA-Farbe erzeugen – fluoreszierende DNA-Stränge, die als Markierungen für die Mikroskopie verwendet werden – weil wir die Bindung und Trennung von DNA an einzelne Moleküle messen. Aber es kann lange dauern, Daten zu erfassen. Wenn wir könnten Sequenzen für DNA-Farbe rational zu entwerfen, damit sie schneller binden kann, dann könnten wir die Aufnahmezeit für hochauflösende Bildgebung verkürzen“, sagte A/Prof Lee.