Ny revolutionerende metode kan manipulere DNA’ets form og sammenpakning

Hver eneste celle i din krop rummer ca. 2 meter DNA, som bærer den essentielle genetiske information om dig som individ. Hvis man rullede alt det DNA ud, der findes i en enkelt person, ville det strække sig over en svimlende afstand - nok til at nå solen og tilbage igen mere end 60 gange. For at kunne håndtere en så forbløffende lange molekyler der indeholder biologisk information, presser cellen sit DNA sammen i kompakte pakker, kaldet kromosomer.

"Forestil dig DNA som et stykke papir, hvorpå al vores genetiske information er skrevet." Siger Minke A.D. Nijenhuis, medforfatter til den ny artikel. "Papiret er foldet i en meget stram struktur for at få plads til alle disse oplysninger i en lille cellekerne. Men for at læse informationen skal dele af papiret foldes ud og derefter foldes igen. Denne rumlige organisering af vores genetiske kode er en helt central mekanisme i livet. Vi ønskede derfor at skabe en metode, der gør det muligt for forskere at konstruere og studere sammenpakningen af dobbeltstrenget DNA."

Tredobbelt spiralstruktur giver beskyttelse og kompakthed

I naturen er DNA ofte opbygget af to strenge, der er snoet om hinanden til en dobbelt helix. Den ene streng indeholder generne, der er ansvarlige for at kode vores egenskaber, og den anden streng fungerer som en sikkerhedskopi. Disse to strenge holdes sammen af bestemte bindinger, kaldet Watson-Crick-interaktioner, som gør det muligt for de to strenge at genkende og binde til hinanden. Udover disse kendte interaktioner findes der en mindre kendt type interaktion mellem DNA-strenge. Disse såkaldte normale eller omvendte Hoogsteen-interaktioner, gør det muligt for en tredje streng at tilslutte sig og dermed danne en smuk tredobbelt spiralstruktur, en triple-helix.

I den nye artikel, der er offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift, Advanced Materials, har forskere fra Gothelfs laboratorium ved Aarhus Universitet introduceret en simpel metode til at organisere DNA-strenge. Metoden er baseret på førnævnte Hoogsteen-interaktioner. Forskningen viser, at ved hjælp af denne metode kan man bøje eller "folde" DNA på en måde, så man skaber kompakte strukturer. Disse strukturer kan have forskellige former, lige fra hule todimensionelle former til tætte tredimensionelle konstruktioner og alt derimellem. Faktisk kan man endda skabe strukturer, der ligner en potteplante. Forskerne kalder deres metode for triplex-origami.

Potentiale indenfor genterapi og meget mere

Ved hjælp af triplex-origami kan forskere opnå en hidtil uset kontrol over formen af DNA-molekyler, hvilket åbner nye muligheder for forskning. Det er foreslået i tidligere studier, at triplex-dannelse spiller en rolle i den naturlige sammenpakning af DNA i celler, og dette studie kan give os mere viden om denne vigtige biologiske proces.

Studiet viser også, at triplexdannelse beskytter DNA mod enzymatisk nedbrydning. Evnen til at komprimere og beskytte DNA ved hjælp af triplex-origami-metoden kan derfor få stor betydning indenfor genterapi, hvor syge celler repareres ved at indføre en funktion de mangler, via en pakke af DNA, der kan leveres til cellerne.

De fantastiske biologiske egenskaber af DNA’s sekvens og struktur er allerede udnyttet i forbindelse med nanoteknologi, hvilket har haft betydning for medicinske behandlinger, diagnostik og mange andre områder. "De seneste fire årtier har DNA-nanoteknologi næsten udelukkende været afhængig af Watson-Crick-baseinteraktioner til at samle enkelt-strenget DNA og organisere det i specifikke nanostrukturer." Siger Professor Kurt V. Gothelf. "Vi ved nu, at Hoogsteen-interaktioner kan bruges til at organisere dobbelt-strenget DNA, den form DNA primært findes på i naturen, og det udvider feltet betydeligt."

Gothelf og hans forskningsteam viser, at Hoogsteen-medieret foldning kan kombineres med de mest avancerede Watson-Crick-baserede metoder. Triplex-origami-strukturer kræver dog færre materialer end de traditionelle metoder, hvilket gør det muligt at skabe større strukturer til betydeligt lavere omkostninger.

Den nye metode har den begrænsning, at triplex-dannelse typisk kræver lange sekvenser af en bestemt byggesten, kaldet purinbaser. Så forskerne har derfor brugt kunstige DNA-sekvenser i stedet for naturligt genetisk DNA. I fremtiden vil de arbejde på at overvinde denne begrænsning.