p Uma técnica de imagem avançada revela novos detalhes estruturais do S-DNA, DNA em forma de escada que se forma quando a molécula passa por uma tensão extrema. Este trabalho conduzido no Sandia National Laboratories e na Vrije University na Holanda fornece a primeira evidência experimental de que o S-DNA contém pares de bases altamente inclinados. p O emparelhamento previsível e o empilhamento dos pares de bases do DNA ajudam a definir a forma de dupla hélice da molécula. Compreender como os pares de bases se realinham quando o DNA é esticado pode fornecer uma visão sobre uma variedade de processos biológicos e melhorar o design e o desempenho de nanodispositivos construídos com DNA. Os pares de bases inclinadas no S-DNA estendido foram previamente previstos usando simulações de computador, mas nunca demonstrado de forma conclusiva em experimentos até agora, de acordo com um artigo recente na Science Advances.

p O DNA é mais comumente conhecido como o transportador molecular da informação genética. Contudo, em laboratórios de pesquisa em todo o mundo, ele também tem outro uso:material de construção para dispositivos em nanoescala. Para fazer isso, os cientistas preparam sequências geradas por computador de DNA de fita simples para que certas seções formem pares de bases com outras seções. Isso força o fio a dobrar e dobrar como um origami. Os pesquisadores usaram este princípio para dobrar o DNA em rostos sorridentes microscópicos, nanomáquinas com dobradiças e pistões móveis e materiais "inteligentes" que se ajustam espontaneamente às mudanças no ambiente químico circundante.

p “Para construir um avião ou uma ponte, é importante conhecer a estrutura, força e elasticidade de cada material que entrou nele, "disse Adam Backer, cientista ótico da Sandia e principal autor do estudo. "A mesma coisa é verdadeira ao projetar nanoestruturas com DNA."

p Embora muito se saiba sobre as propriedades mecânicas da dupla hélice do DNA, mistérios permanecem sobre os detalhes de sua forma quando a molécula é esticada em um laboratório para formar a estrutura em forma de escada do S-DNA. As formas padrão de visualizar a estrutura do DNA não podem rastrear mudanças estruturais enquanto a molécula se destorce.

p Vendo DNA esticado

p Para caracterizar a estrutura e elasticidade do S-DNA, Backer trabalhou com colegas do grupo de pesquisa Physics of Living Systems no LaserLaB Amsterdam na Vrije University. Os pesquisadores descreveram seu processo no artigo da revista. Usando instrumentação desenvolvida por seus colegas, Backer primeiro anexou uma esfera microscópica a cada extremidade de um pequeno pedaço de DNA viral. Essas contas serviam como alças para manipular uma única molécula de DNA.

p Próximo, os pesquisadores capturaram o DNA de contas em uma câmara estreita cheia de fluido usando dois feixes de laser bem focalizados. Como as contas ficam presas dentro dos feixes de laser, os pesquisadores podiam mover as contas na câmara redirecionando os feixes de laser. Isso permitiu que eles esticassem o DNA anexado para formar o S-DNA. Esta técnica de manipulação de partículas microscópicas, chamadas de pinças ópticas, também forneceu controle preciso sobre a quantidade de força de alongamento aplicada a uma única molécula de DNA.

p Contudo, as mudanças estruturais que ocorrem dentro da molécula de DNA esticada eram muito pequenas para serem observadas diretamente com um microscópio óptico padrão. Para enfrentar este desafio, Backer ajudou seus colegas a combinar um método de imagem chamado microscopia de polarização de fluorescência com o instrumento de pinça óptica. Primeiro, eles adicionaram pequenos, moléculas de corante fluorescente tipo bastonete para a solução contendo DNA opticamente preso. Em DNA não alongado, as moléculas do corante se ensanduicham entre conjuntos vizinhos de pares de bases e se alinham perpendicularmente ao eixo central da dupla hélice. Se uma força de alongamento faz com que os pares de bases do DNA se inclinem, as tinturas também inclinam.

p Próximo, os pesquisadores usaram os sinais fluorescentes dos corantes para determinar se os pares de bases no DNA estendido se inclinavam. Os corantes fluorescentes emitem luz fluorescente verde quando interagem com as ondas de luz de um feixe de laser apontando ao longo do mesmo eixo das moléculas do corante. Os pesquisadores mudaram a orientação das ondas de luz girando a polarização de um feixe de laser em vários ângulos. Então, eles estenderam o DNA e observaram o aparecimento de sinais fluorescentes verdes sob o microscópio. A partir dessas medições, e métodos de análise computacional desenvolvidos na Sandia, os pesquisadores determinaram que os corantes, e, portanto, os pares de bases, alinhado em um ângulo de 54 graus em relação ao eixo central do DNA.

p "Este experimento fornece a evidência mais direta até o momento, apoiando a hipótese de que o S-DNA contém pares de bases inclinadas, "disse Backer." Para obter essa compreensão fundamentalmente nova do DNA, era necessário combinar uma série de tecnologias de ponta e reunir cientistas de uma variedade de disciplinas técnicas diferentes para trabalhar em direção a um objetivo comum. "

p Há uma especulação generalizada entre os cientistas de que estruturas semelhantes ao S-DNA podem se formar durante as atividades diárias das células humanas, mas, Atualmente, o propósito biológico do S-DNA ainda é desconhecido. S-DNA pode facilitar o reparo de DNA danificado ou quebrado, ajudando a proteger contra a morte celular e o câncer. Backer espera que esta compreensão mais clara dos princípios físicos que governam a deformação do DNA guie pesquisas futuras sobre o papel do S-DNA nas células.

p Quando Backer se juntou à Sandia como Truman Fellow em novembro de 2016, ele teve a oportunidade de iniciar um programa de pesquisa independente por sua própria conta. Ele havia desenvolvido um método para microscopia de polarização durante a graduação na Universidade de Stanford e achava que a técnica tinha potencial. Backer disse:"Na Sandia, eu queria levar essa técnica o mais longe possível. O fato de esse trabalho ter levado a resultados com potencial relevância em campos como biologia e nanotecnologia tem sido extraordinário."