Switching the Conformation of a DNAMolecule with a Chemical Oscillator

Αλλαγή της διαμόρφωσης ενός μορίου DNA μέσω ενός χημικού ταλαντωτή

Tim Liedl and Friedrich C. Simmel

NANOLETTERS, 2005, 5, 1894.

Τι είναι οι DNA νανομηχανές και πως λειτουργούν ?

• υπερμοριακές δομές DNA οι οποίες μπορούν να υποβληθούν κυκλικά σε μεγάλες αλλαγές διάπλασης παρουσία συγκεκριμένων μορίων ,όπως αλλα σκέλη DNA ή μικρά μόρια

• Αυτες οι αλλαγές διάπλασης συνοδεύονται απο περιστροφικές, επεκτατικές , η όπως καταδικνύεται αρκετά πρόσφατα, μετατοπιστικές κινήσεις.

• Στις περισσότερες περιπτώσεις αυτές οι μοριακές μηχανές πρέπει να ελέγχονται εξωτερικά δηλ, ένας εξωτερικός χειριστής πρέπει να προσθέσει συγκεκριμενες ορισμένες χημικές δομές στα μείγματα της αντίδρασης για να ανακυκλώνει τις συσκευές μέσα απο τις διάφορες μηχανικές καταστάσεις.

Επίτευξη αυτόνομης κίνησης στις μοριακές μηχανές DNA

Μέχρι τώρα , η αυτόνομη συμπεριφορά των μοριακών μηχανών DNA έχει επιτευχθεί μόνο σε λίγες περιπτώσεις με την βοήθεια δεοξυριβοενζύμων και άλλων ενζύμων.

Εδώ παρουσιάζουμε μια νέα προσέγγιση στην επίτευξη αυτόνομης κίνησης με την επίδειξη προτωνιοτροφοδοτημένης αλλαγής διαμόρφωσης DNA η οποία μπορεί να οδηγηθεί από τις παραλλαγές ph που παράγονται απο μια μη ισορροπημένη ταλαντωτική χημική αντίδραση , δηλαδή μέσω ενός χημικού ταλαντωτή.

Τα κριτήρια για να οδηγηθούν οι βασισμένες στο DNA συσκευές με αυτούς τους χημικούς ταλαντωτές :

1.Το ταλαντούμενο χημικό ειδος θα πρέπει να μπορεί να οδηγήσει ή να επηρρεάσει την διαμορφωτική μετάβαση DNA.

2.Το εύρος pH όπου λειτουργεί ο ταλαντωτής θα πρέπει να είναι συμβατό με την βιοχημεία (αυτό αποκλείει για παράδειγμα την πρωτότυπη αντίδραση (ΒΖ) ).

3.Το διάλυμα της αντίδρασης θα πρέπει να είναι “βιοσυμβατό” για να αποφευχθεί η ταχεία αποδόμηση του DNA απο την οξείδωση.

1. Το ταλαντούμενο χημικό είδος θα πρεπει να μπορει να οδηγήσει ή να επηρρεάσει την διαμορφωτική μετάβαση DNA.

Μπορεί να χρησιμοποιηθεί η επιρροή ορισμένων ειδών ιόντων στο DNA των οποίων η συγκέντρωση ποικήλει με τις ταλαντώσεις pΗ για την συμπλοκοποίηση και την πτώση της ισορροπίας ή να χρησιμοποιήσει τις ίδιες ταλαντώσεις του pH όπως γίνεται στην παρούσα εργασία.

2.Το ευρος pΗ οπου λειτουργει ο ταλαντωτής θα πρέπει να ειναι συμβατό με την βιοχημεία γεγονός που αποκλειει για παραδειγμα την προτυπη αντιδραση (ΒΖ) .

Belouson-Zhabotinsky – (BZ) αντίδραση:

Είναι μια κατηγορία αντιδράσεων που χρησιμεύουν ως ένα κλασσικό παράδειγμα της μη ισορροπίας στη θερμοδυναμική , με αποτέλεσμα τη δημιουργία γραμμικών χημικών ταλαντώσεων. Η αντίδραση BZ μπορεί να παράγει έως και αρκετές χιλιάδες κύκλους ταλαντώσεων σε ένα κλειστό σύστημα, το οποίο επιτρέπει τη μελέτη χημικών κυμάτων και των μοντέλων χωρίς συνεχή ανανέωση των αντιδρώντων.

3.Το διάλυμα της αντίδρασης θα πρέπει να ειναι “βιοσυμβατό” για να αποφευχθεί η ταχεία αποδόμηση του DNA απο την οξείδωση.

Η απαίτηση αυτή αποκλείει, για παράδειγμα, ταλαντωτές που χρησιμοποιούν υπεροξείδιο του υδρογόνου παρουσία ιόντων χαλκού. Με βάση αυτή την εκτίμηση εδώ υιοθετούμε μια παραλλαγή ταλάντωσης της αντίδρασης Landolt για να μεταβληθεί η τιμή του pH περιοδικά σε ενα συνεχόμενα τροφοδοτούμενο χημικό αντιδραστήρα.

Η αντίδραση Landolt είναι ένα κλασικό ρολόι χημικό πείραμα επίδειξης για την απεικόνιση της χημικής κινητικής σε δράση. Σε πρώτη φάση δεν υπάρχει ορατή αντίδραση, αλλά μετά από μια μικρή χρονική καθυστέρηση, το υγρό μετατρέπεται ξαφνικά σε μια απόχρωση του μπλε σκούρο.

Η ταλαντούμενη συγκέντρωση πρωτονίων , στην συνέχεια χρησιμοποιήθηκε για την οδήγηση πρωτονιο-τροφοδοτουμενων

νανοσυσκευών DNA περιοδικά μέσα στις διαμορφωτικές καταστάσεις.

Κύκλος λειτουργίας για τον DNA διακόπτη Μ που οδηγείται απο ενα χημικό ταλαντωτή.

Στο μισό του κύκλου της αντίδρασης τα πρωτόνια που παράγονται κατα την διάρκεια της οξειδωσης του θειώδους προκαλούν μια διαμορφωτική μετάβαση σε μια διπλωμένη δομή DNA, την λεγομενη i-motif (σχήμα 1c).

Στο δεύτερο μισό του κύκλου αντίδρασης η οξείδωση του θειοθειικού καταναλώνει πρωτόνια και οδηγεί στην στην τυχαία διαμορφωμένη σπείρα.

Διακόπτης Μ :

5’-CCCTAACCCTAACCCTAACCC- 3΄

S 2 O 3 2 - (aq) → SO3-2 (g) + S (s)

Θειοθειικό Θειώδες

→

Οι αζωτούχες βάσεις στο DNA είναι τέσσερις:•αδενίνη A•γουανίνη G•κυτοσίνη C•θυμίνη T

πουρίνες

Αδενίνη Γουανίνη Θυμίνη

Κυτοσίνη

Κυτοσίνη : είναι μία από τις τέσσερις κύριες βάσεις βρίσκονται στο DNA και στο RNA, μαζί με αδενίνη, θυμίνη και η γουανίνη. Είναι ένα παράγωγο πυριμιδίνης, με ετεροκυκλικούς αρωματικούς δακτυλιους και δύο υποκατάστατα προστίθενται (μια ομάδα αμινών στη θέση 4 και μια ομάδα κετο στη θέση 2). Σχηματίζει τρεις δεσμούς υδρογόνου με τη γουανίνη.

Δομή i – mottif

Το i-motif ειναι μια

DNA που σχηματίζεται λόγω της ενδομοριακής μη-κανονικής αλληλεπίδραση (base pairing) βάσεων που δημιουργείται εξαιτίας της ύπαρξης πρωτονιωμένων και μη πρωτονιωμένων καταλοίπων κυτοσίνης .

Σε αυτη την διαταξη, η χρωστική και το quencher(σταματά τον φθορισμό) ειναι πολυ κοντά και η ενταση του φθορισμου ειναι σημαντικα χαμηλοτερη απ ότι στην ανοικτη κατάσταση.

Στην συγκεκριμένη περίπτωση της συσκευής εδώ, ένας κλώνος DNA που περιέχει 12 κυτοσίνες μπορεί να σχηματίσει 6 ενδομοριακά C+-C ζευγη βασης (γκρι γραμμές) , με αποτέλεσμα την διπλωμένη δομή DNA που απεικονίζεται στο σχήμα.

C+ : η κυτοσίνη με ένα

παραπάνω πρωτόνιο

τετράκλωνη δομή

Τιτλοδότηση φθορισμού του σκέλους Μ κατά την τιμή του Ph

Επειδή το σκέλος M είναι επισημασμένο με ένα φθοροφόρο και quencher(ουσία που σταματά τον φθρισμό), η μετάβαση μπορεί να παρακολουθείται στα σήματα φθορισμού (κουκκίδες). Στην διπλωμένη διαμόρφωση ο φθορισμός σβήσει, ενώστην τυχαία διαμόρφωση σπέιρας δεν σβήνει . Ένα σιγμοειδή ταίριασμα με τις τιμές τιτλοδότησης συντάσσεται σε συνεχή γραμμή.

Η τιμη pK για την κυτοσίνη ειναι περίπου 4.2, και η μετάβαση στη διαμόρφωση i-motif ,στην οποία μόνο οι μισές απο τις κυτοσίνες είναι πρωτονιομένες συμβαίνει στο εύρος pH μεταξυ 6 και 7. Σε υψηλοτερες τιμες pH οι κυτοσίνες ειναι αποπρωτονιομένες, και το σκέλος DNA υιοθετεί μια σπείρα τυχαίων διαμορφώσεων.

Οτι αλλάζει σε πρωτονίωση το βλέπουμε σε άμμεση αλλαγή στη διαμόρφωση του DNA

Πειραματική διάταξη

Ένα διάλυμα θειόδους νατρίου (Na2SO3 ), θειοθειικού νατρίου(Na2S2O3) και θειικό οξύ (H2SO4) αντλείται απο μια δεξαμενή σε ενα συνεχώς αναδευόμενο αντιδραστήρα που περιέχει ενα διάλυμα ιωδικού νατρίου(NaIO3) και τους διακόπτες DNA M που ειναι επισημανσμένοι με φθόριο. Ο φθορισμός επιτυγχάνεται με διέγερση του δείγματος με laser ιόντων αργου, εντοπίζεται και καταγράφεται ταυτόχρονα με την τιμή του pH.

Ποιοτικά , οι χημικές διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα είναι η ακόλουθες :•Σε χαμηλες συγκεντρωσεις Η+, το ιωδικό οξειδωνει κυριως θειώδες άλας σε θειικό άλας υδρογόνου, μια αντίδραση που παράγει ιωδικό συν πρωτόνια και συνεπώς μειώνει το pH.•Σε υψηλες συγκεντρώσεις Η+, η οξείδωση του ιωδιούχου καλίου σε ιώδιο και των θειοθειικών σε τετραθειικών γίνεται κυρίαρχη, καταναλώνοντας πρωτόνια και αυξάνοντας έτσι την τιμή του pH.

Ίδιο πληθυσμό μορίων DNA σε μόνιμη βάση στον αντιδραστήρα

Αντιδραστήρας ασυνεχούς λειτουργιας (semibatch ) που έχει μια είσοδο αλλά καμία έξοδο.

Με την επιλογή πειραματικών συνθηκών που κάναμε, ο ταλαντωτής κυμαίνει την τιμή του pH ανάμεσα σε 5 και 7 σε μια χρονική περίοδο περίπου 1 ώρας. Κατα συνέπεια οι διαμορφωτικές μεταβάσεις του κλώνου DNA επιβάλλονται περιοδικά από τον αντιδραστήρα.

ίχνος φθορισμού (μπλε γραμμες) που καταγραφεται ταυτόχρονα με τις ταλαντώσεις pH παρακολουθώντας την κίνηση των διακοπτών DNA

Διαχρονική εξέλιξη της τιμής του pH (μαύρη γραμμή)

Οι ταλαντώσεις σιγά σιγά σβήνουν εξαιτίας της συνεχούς μείωσης των συγκεντρώσεων αντιδρώντων.

Το σήμα φθορισμού πράγματι ακολουθεί την τιμή pH, δείχνοντας ότι οι κλώνοι DNA στο διάλυμα υφίστανται τις δομικές αλλαγές σε αυτούς όπως σχεδιάστηκε.

Για τις πρώτες ταλαντώσεις (που αντιστοιχούν σε χαμηλές τιμές pH), το πλάτος των ταλαντώσεων φθορισμού είναι χαμηλότερο απο το αναμενόμενο.

Αυτό δείχνει ότι η κινητική του ξετυλίγματος μπορεί να μην είναι αρκετά γρήγορη σε χαμηλότερες τιμές pΗ, προκειμένου να

ακολουθήσουν τον ταλαντωτή οι διακόπτες DNA.

1. Η βελτιστοποίηση των συνθηκών αντίδρασης για να καταστεί δυνατή ,η αποτελεσματική υβριδοποίηση DNA

Πρόκληση

Για να γίνει πλήρη χρήση των χημικών ταλαντωτων για την αυτόνομη λειτουργία των DNA νανομηχανών.

2. Η ακινητοποίηση των νανοσυσκευών DNA σε στερεά υποστηρίγματα.

Ακινητοποιημένες συσκευές θα μπορούσαν να οδηγούνται επ’αοριστων απο τις τακτικές ταλαντώσεις PH που εμφανίζονται σε έναν συνεχούς ροής αντιδραστήρα.

Μειονέκτημα : Χρειάζεται μια αντίδραση που δεν είναι εκλεκτική ως προς τις βάσεις που χρησιμοποιεί άρα όλα τα DNA που έχω στο διάλυμα άρα δεν μπορώ να τη χρησιμοποιήσω άμμεσα σε ζωντανά συστήματα.

Είδος Α DNA Είδος B DNA

Η εφαρμογή θερμότητας σπάει τους

αδύναμους δεσμούς υδρογόνου

Η ανάμειξη και το πάγωμα των κλώνων

επιτρέπει τον σχηματισμό δεσμών

Όσο ποιο συγγενικά είναι τα δύο είδη τόσο καλύτερα θα ταιριάξουν στον

υβριδισμό

Υβριδοποίηση DNA

Εδω έχουμε δείξει πως μια δομή DNA ευαίσθητη στα πρωτόνια μπορεί να οδηγηθεί αυτόνομα μέσω των διαμορφωτικών καταστάσεων ενός χημικού ταλαντωτή.

• αποτελεί το πρώτο παράδειγμα μιας συσκευής DNA που διατηρείται σε μη-ισορροπία μέσα σε ένα διαρκώς τροφοδοτούμενο χημικό αντιδραστήρα

• ανοίγει ένα νέο τομέα αιτήσεων για χημικές αντιδράσεις που ταλαντεύονται και δημιουργούν πρότυπα

• θα πρέπει να είναι δυνατόν να γενικευτεί η προσέγγιση που παρουσιάζεται εδώ για να λειτουργήσουν οι νανοσυσκευές DNA χωροχρονικών χημικών προτύπων ή ταλαντώσεων

χρήσιμες για εφαρμογές στις οποίες μοριακές μηχανές βοηθούν σε περιπτώσεις νανοσυγκεντρώσεων (nanoassembly) στις οποίες επιθυμείται η μεταφορά νανοσυστατικών πάνω σε υπερμοριακές διαδρομές

Είναι περίπου 3,5 νανόμετρα σε διάμετρο και 2,5 νανόμετρα στο ύψος.

Μια πλατφόρμα συνδέεται με τρεις rotaxane μονάδες. Ο ανελκυστήρας έχει γίνει για να πάμε πάνω και κάτω 10 φορές από τη συνεχή προσθήκη οξέος και βάσης, αντίστοιχα.

rotaxane

Supramolecular “elevator”

Τέσσερις carborane τροχοί είναι συνδεδεμένοι σε ένα μοριακό σκελέτό που ενσωματώνεται σε ένα μοριακό κινητήρα. Οι γραμμικοί μοριακοί άξονες που συνδέουν τους τροχούς και τα εξαρτήματά της κεντρικής μοριακής μηχανής ενσωματώθηκαν για να κινήσουν το μοριακό αμάξι κάνοντας την κίνηση της “κωπηλασίας”.

Molecular “car”

υδρογόνο - λευκό χλώριο - πράσινο βόριο - ροζ διοξείδιου του άνθρακα - μαύρο

carborane

Το συγκεκριμένο βακτηρίδιο που ανακαλύφθηκε, τo GFAJ-1 έχει τη δυνατότητα να μπορεί να χρησιμοποιεί ένα δηλητήριο, το αρσενικό, ως δομικό λίθο για το γενετικό υλικό του και είναι η πρώτη γνωστή μορφή ζωής που χρησιμοποιεί και αρσενικό εκτός από άνθρακα, υδρογόνο, άζωτο, οξυγόνο, θείο και φώσφορο. «Μπορεί να αναπτυχθεί είτε με φώσφορο είτε με αρσενικό. Αυτό το καθιστά πολύ αλλόκοτο» αναφέρει ο Paul Davies της NASA.

Βακτηρίδιο που ενσωματώνει στο DNA του το δηλητηριώδες στοιχείο αρσενικό

Ευχαριστώ πολύ

Βιβλιογραφία :

• http://www.nature.com/nnano/journal/v1/n1/full/nnano.2006.45.html

• http://translate.google.gr

• http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page

•Βιοχημεία Τόμος I&II (Jeremy M.Berg-John L.Tymoczko-Lubert Stryer)