Kryo-Kraftspektroskopie zeigt mechanische Eigenschaften von DNA-Bauteilen auf

Bei tiefen Temperaturen wird ein DNA-Strang mithilfe der Spitze eines Rasterkraftmikroskops von der Goldoberfläche entfernt. Dabei lassen sich physikalische Parameter bestimmen. Bild: Universität Basel, Departement Physik

Die DNA ist nicht nur ein begehrtes Forschungsobjekt, weil sie die Bauanleitung für das Leben enthält. Aus ihr lassen sich auch kleinste Bauteile für technische Anwendungen herstellen. Beim sogenannten DNA-Origami können Wissenschaftler die Erbsubstanz so manipulieren, dass durch die Faltung von DNA-Strängen winzige zwei- und dreidimensionale Strukturen entstehen.

Diese eignen sich zum Beispiel als Behältnis für pharmazeutische Wirkstoffe, als stromleitende Röhrchen und als hochsensible Sensoren.

Messung bei tiefen Temperaturen

Um die gewünschten Formen bilden zu können, ist es wichtig, die Struktur sowie die Elastizität und die Bindungskräfte der verwendeten DNA-Bauteile zu kennen. Bei Raumtemperatur lassen sich diese physikalischen Parameter nicht messen, da die Moleküle ständig in Bewegung sind.

Nicht so bei tiefen Temperaturen: Das Team um Professor Ernst Meyer vom Swiss Nanoscience Institut und Departement Physik der Universität Basel hat erstmals die Kryo-Kraftmikroskopie eingesetzt, um DNA-Moleküle zu charakterisieren und ihre Bindungskräfte sowie ihre Elastizität zu untersuchen.

Stück für Stück abgelöst

Die Wissenschaftler platzierten dazu DNA-Stränge aus 20 Cytosin-Nukleotiden auf einer Goldoberfläche. Bei einer Temperatur von 5 Kelvin wurde dann ein Ende des DNA-Stranges mithilfe der Spitze eines Rasterkraftmikroskops nach oben gezogen.

Nach und nach lösen sich dabei die einzelnen Bausteine des Strangs von der Oberfläche. Die Physiker konnten dabei ihre Elastizität erfassen sowie die Kräfte, die es braucht, um die DNA-Moleküle von der Goldoberfläche zu lösen.

«Je länger das abgelöste DNA-Stück wird, desto elastischer und weicher wird die DNA», erläutert Erstautor Dr. Rémy Pawlak. Dies lässt sich dadurch erklären, dass sich die einzelnen Bausteine der DNA wie eine Kette von mehreren miteinander verbundenen Spiralfedern verhalten.

Aufgrund der Messungen konnten die Forscher die Federkonstante für die einzelnen DNA-Bausteine ermitteln.

Computersimulationen verdeutlichen, dass die DNA diskontinuierlich von der Oberfläche abgelöst wird, was mit dem Aufbrechen der Bindungen der Cytosine zur Goldoberfläche und der abrupten Bewegung auf der Goldoberfläche zu tun hat. Die theoretischen Elastizitätswerte stimmen sehr gut mit den Experimenten überein und bestätigen das Modell von seriell angeordneten Federn.

Momentaufnahme verschafft Einblick

Die Untersuchungen belegen, dass sich die Kryo-Kraftspektroskopie sehr gut eignet, um Kräfte, Elastizität und Bindungseigenschaften von DNA-Strängen auf Oberflächen bei tiefen Temperaturen zu untersuchen.

«Wie bei der Kryoelektronenmikroskopie machen wir mit der Kryo-Spektroskopie eine Momentaufnahme und gewinnen so einen Einblick in die Eigenschaften von DNA», ergänzt Ernst Meyer. «Zudem könnten sich in Zukunft die rastersondenmikroskopischen Aufnahmen zur Bestimmung von Nukleotidsequenzen nutzen lassen.»

Prof. Dr. Ernst Meyer, Universität Basel, Departement Physik, +41 61 207 37 24, E-Mail: ernst.meyer@unibas.ch

Rémy Pawlak, Guilherme Vilhena, Antoine Hinaut, Tobias Meier, Thilo Glatzel, Alexis Baratoff, Enrico Gnecco, Ruben Perez, and Ernst Meyer
Conformations and cryo-force spectroscopy of spray-deposited single-strand DNA on gold
Nature Communications (2019), doi: 10.1038/s41467-019-08531-4

https://www.youtube.com/watch?time_continue=1&v=mIiJLmks9Jw

Media Contact

Reto Caluori Universität Basel

Weitere Informationen:

http://www.unibas.ch

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie

Von grundlegenden Gesetzen der Natur, ihre elementaren Bausteine und deren Wechselwirkungen, den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie über Felder in Raum und Zeit bis hin zur Struktur von Raum und Zeit selbst.

Der innovations report bietet Ihnen hierzu interessante Berichte und Artikel, unter anderem zu den Teilbereichen: Astrophysik, Lasertechnologie, Kernphysik, Quantenphysik, Nanotechnologie, Teilchenphysik, Festkörperphysik, Mars, Venus, und Hubble.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreiben Sie einen Kommentar

Neueste Beiträge

Mikroplastik in menschlichen Gewebeproben

Internationale Studie warnt vor voreiligen Schlussfolgerungen. Die Verbreitung von Mikro- und Nanoplastik in der Umwelt sowie die Aufnahme dieser Partikel in den menschlichen Organismus werden weltweit intensiv erforscht. Eine internationale…

Schluss mit der Recyclinglüge

Der Umwelt-Campus Birkenfeld und Neveon machen aus altem Kunststoff wertvolle Produkte. Durch Berichte und Reportagen in den Medien ist mittlerweile bekannt geworden, dass das Recycling von Kunststoffen (wie z.B. Verpackungen,…

Aufbau einer Infrastruktur für den Transport von Kohlendioxid

Was gilt es zu berücksichtigen? – Ein Impuls. Selbst bei einer erfolgreichen Transformation der Industrie zur Klimaneutralität wird es noch Prozesse geben, bei denen unvermeidbare CO2-Mengen entstehen. Der Umgang mit…

Partner & Förderer