Kultovní dvojitá šroubovice DNA, úhledně stočená kolem sebe, působí dojmem jednoduchého a uspořádaného kódu pro naši genetiku. DNA je ve skutečnosti neuvěřitelně dynamická, neustále se kroutí, ohýbá a je opravována drobnými proteiny. Zachycení těchto pohybů, k nimž dochází v měřítku menších než miliardtina metru (Anglostrom), bylo dlouhou dobu velkou výzvou v molekulární biologii.
Nyní udělali vědci z University of Illinois v Urbana-Champaign velký krok vpřed a vyvinuli dvě průlomové techniky, které jim umožňují pozorovat a dokonce manipulovat s pohybem DNA v bezprecedentních detailech. Tyto pokroky otevírají nové možnosti pro pochopení toho, jak DNA funguje, od její role u nemocí, jako je rakovina, až po vývoj nových léků.
Nanokamera: Vizualizace pohybu s atomovou přesností
První průlom zahrnuje „komoru DNA“ postavenou z jediné vrstvy grafenu, materiálu o tloušťce pouhého jednoho atomu. Tuto metodu nazvanou GETvNA (graphene-guided transient near-field amplification) původně vyvinuli vědci z Tinnefeld Laboratory na Ludwigs Maximize University v Mnichově. Využívá skutečnosti, že molekuly DNA stojí na grafenových površích vzpřímeně a připomínají malé vlaječky vlající ve větru v nanoměřítku.
Toto vertikální uspořádání umožňuje detekovat jemné strukturální změny v DNA při jejím pohybu. Aksimentyevův tým stavěl na tomto základu a pomocí pokročilých výpočetních modelů studoval atomové detaily toho, jak GETvNA funguje.
Systém poskytuje sub-angstromové rozlišení a zachycuje události v reálném čase – kritické pro pozorování procesů, jako je oprava poškození DNA nebo pohyb proteinů po jeho délce. Tato přesnost přesahuje možnosti tradičních mikroskopů a umožňuje dešifrovat choreografii molekul uvnitř živých buněk.
Další pozorování: Řízení pohybu DNA
Ne vždy ale vidět stačí. Co kdyby výzkumníci mohli také kontrolovat, kam se DNA dostala? Tato funkce otevírá dveře třídění a manipulaci s jednotlivými vlákny, stejně jako vytváření primitivních „molekulárních strojů“. Aksimentyevův tým objevil, že hexagonální borový dusík (hBN), další dvourozměrný materiál, lze použít k vedení jednovláknové DNA po specifických trajektoriích.
Tyto dráhy jsou tvořeny přirozenými „žebříky“ na povrchu hBN – drobnými defekty, které vytvářejí nanokanály pro biomolekuly. Tým zjistil, že zatímco původně předpovídaný pohyb byl mnohem rychlejší, v praxi se molekuly DNA při setkání s těmito defekty výrazně zpomalily. Tento neočekávaný objev, objasněný pomocí sofistikovaných výpočetních analýz, odhalil, jak atomové nedokonalosti na povrchu hBN působí jako časovací pasti, což umožňuje výzkumníkům přesně řídit pohyb DNA.
Dopad a výhled: Nová éra molekulární přesnosti
Tyto kombinované objevy mají významné důsledky pro různé oblasti:
- Biomedicínský výzkum: Schopnost sledovat jednotlivé molekuly DNA interagující s proteiny v reálném čase by mohla způsobit revoluci v našem chápání nemocí, jako je rakovina, kde jsou tyto interakce často narušeny. Poskytuje také bezprecedentní platformu pro testování a vývoj nových léků, které se zaměřují na tyto specifické molekulární události.
- Biosensors: Přesná kontrola pohybu DNA připravuje cestu pro vysoce citlivé biosenzory schopné detekovat nepatrná množství biomolekul s aplikacemi v diagnostice nemocí a monitorování životního prostředí.
Dostupnost GETvNA – vyžadující pouze standardní fluorescenční mikroskop – je obzvláště průlomová. Demokratizuje přístup k této úrovni molekulárních detailů a umožňuje výzkumníkům z celého světa provádět studie s vysokým rozlišením bez potřeby drahého specializovaného vybavení.
Aksimentyev a jeho tým pokračují ve zkoumání složitých detailů pohybu DNA na dvourozměrných površích. Jejich budoucí práce se zaměřuje na pochopení toho, jak se DNA chová v delších časových měřítcích – od milisekund po sekundy – pomocí pokročilých výpočetních modelů k překlenutí mezery mezi atomovými simulacemi a pozorováními v reálném světě.
Tyto inovace ukazují, jak základní výzkum v kombinaci s výkonnými výpočetními nástroji může otevřít nová okna do složitosti života na jeho nejzákladnější úrovni. Schopnost nejen vidět, ale také řídit pohyby DNA otevírá cestu k průlomům v medicíně, materiálové vědě a pochopení samotné podstaty života.
