Kỹ thuật mới rọi ánh sáng vào chuỗi xoắn DNA

Việc hiểu về DNA rất quan trọng: nó lưu giữ thông tin định hướng cách các tế bào vận hành và làm gia tăng khả năng ứng dụng công nghệ nano và công nghệ sinh học. Một trong những vấn đề chính yếu mà các nhà nghiên cứu DNA cần giải quyết là bản chất xoắn của DNA đóng vai trò gì trong các quá trình xử lý diễn ra trên DNA.

Khi một protein vận động huyển động hướng dọc theo DNA, nó phải xoắn hay quay quanh DNA, và do đó hoạt động này có thể chống lại độ chịu xoắn của DNA (các vận động đó có thể mang ra ngoài biểu hiện gene hoặc sao chép DNA khi chúng chuyển động dọc theo DNA.) Nếu một protein vận động gặp quá nhiều lực cản, nó có thể bị dừng lại. Dẫu các nhà khoa học biết rằng độ chịu xoắn DNA đóng một vai trò cốt lõi trong các quá trình xử lý cơ bản của DNA nhưng việc đo đạc độ chịu xoắn về mặt thực nghiệm là vô cùng khó.

Trong công trình “Torsional Stiffness of Extended and Plectonemic DNA”, xuất bản trên tạp chíPhysical Review Letters, các nhà nghiên cứu đã nêu một cách mới để đo đạc độ chịu xoắn của DNA bằng việc đo độ cứng của nó như thế nào khi xoắn DNA và khoản cách đầu cuối của DNA không đổi ¹.

“Chúng tôi đã xác định được một cách rất thông minh để đo đạc độ chịu xoắn của DNA”, Michelle Wang, giáo sư danh hiệu James Gilbert White về khoa học vật lý ở Khoa Vật lý trường Khoa học và nghệ thuật, nhà nghiên cứu tại Viện nghiên cứu Y học Howard Hughes và là tác giả chính của công trình, nói.

“Bằng trực giác, chúng ta có thể hiểu rằng dường như DNA sẽ trở nên vô cùng dễ dàng xoắn dưới một lực tác động vô cùng thấp”, Wang nói. “Trên thực tế thì nhiều người đã giả định như vậy. Chúng tôi đã tìm ra là nó không phù hợp với trường hợp này, cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm”.

Tác giả thứ nhất của công trình này là Xiang Gao, nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ ở Phòng thí nghiệm Vật lý nguyên tử và chất rắn.

Michelle Wang, giáo sư danh hiệu James Gilbert White về khoa học vật lý ở Khoa Vật lý trường Khoa học và nghệ thuật, nhà nghiên cứu tại Viện nghiên cứu Y học Howard Hughes

Michelle Wang và đồng nghiệp đã sử dụng các bẫy quang và nhíp từ để nghiên cứu về động lực học của DNA và liên kết RNA với các phân tử protein. Năm 2007, cô và nhóm nghiên cứu của mình đã phát triển một cờ lê mô men xoắn quang, trong đó một cylinder hình trụ thạch anh được chế tạo ở cấp độ nano gắn vào một điểm cuối của một chuỗi DNA xoắn về sau và trước trong đường đến một chùm tia laser bẫy chịu tác động của một ngoại lực. Sau khi vượt qua được cylinder này, chùm tia thay đổi theo một mô men góc, dẫn đến việc xác định trực tiếp độ xoắn trong phân tử.

Để thực hiện thực nghiệm này, Wang và Xiang Gao cùng các thành viên khác của nhóm đã giải quyết nhiều rối phức tạp về mặt toán học của DNA mà người ta vẫn gọi là siêu xoắn. Trong một thay đổi khác, thay vì giữ chuỗi DNA dưới điều kiện cực đoan như những nghiên cứu trước, họ giữ phân tử tại một độ giãn không đổi và tác động nhiều mức lực khác nhau vào bên trong bẫy quang học. Do nhóm nghiên cứu có thể đo đạc được độ giãn với ít nhiễu, họ có thể cải thiện được dữ liệu về độ xoắn của mình.

Họ đã đo đạc được độ dài xoắn bền của hai topology DNA, một chuẩn đo về độ chịu xoắn. Do đó họ hi vọng công trình của mình sẽ dẫn đến việc hiểu sâu hơn về cơ chế phân tử DNA.

Kỹ thuật này đã mở ra những cơ hội mới để nghiên cứu những chuyển pha do xoắn gây ra trong DNA và những gợi ý về mặt sinh học của chúng. “Nhiều đồng nghiệp đã bình luận với tôi rằng họ cảm thấy vô cùng thú vị về phát hiện này khi nó gợi ra một phổ gợi ý rộng lớn về các quá trình xử lý DNA in vivo”, Wang nói.