Forskere laver tovtrækning med DNA

Et DNA-molekyle er alt for ofte en sammenfiltret rodebunke.

Det minder om en tabt fiskesnøre, der er skyllet op stranden – helt filtret ind i sig selv og uden hverken hoved eller hale.

Sammenfiltrede DNA-molekyler kan være et problem, når forskere vil danne sig et overblik over, hvordan DNA'et ser ud. Et sammenfiltret molekyle skygger nemlig for sig selv, og forskere kan ikke finde ud af, hvor det begynder, og hvor det ender.

De kan heller ikke finde ud af, hvor langt der er fra ét punkt på DNA'et til et andet.

Derfor vil forskere gerne kunne strække DNA-molekylet ud - og det er præcis, hvad danske forskere har fundet ud af at gøre bedre.

I et forsøg, der netop er offentliggjort i det videnskabelige tidskrift Physical Review Letters, viser forskere fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU), hvordan man kan bruge en laser til at lave en slags tovtrækning med et enkelt DNA-molekyle og dermed strække det ud.

Ifølge en af forskerne bag det nye studie kan DNA-tovtrækning bruges til flere forskellige ting:

»Det er et forsøg, der har to forskellige perspektiver. For det første viser vi, hvordan man kan strække DNA'et, så det er til at fotografere gennem et mikroskop. Det gør det nemmere at danne sig et overblik over, hvordan det ser ud.«

»For det andet kan man bruge teknikken til at komme tættere på et svar på et fysisk fænomen, som vi har svært ved at forstå,« forklarer ph.d. og forsker Jonas Nyvold Pedersen fra DTU, Institut for Mikro- og Nanoteknologi.

Nemmere aflæsning af DNA

Lektor i biofysik Lene Broeng Oddershede fra Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet arbejder selv med at forstå samspillet mellem fysik og biologi.

Lene Broeng Oddershede har ikke deltaget i den nye forskning, men hun kender både forskerne bag arbejdet og arbejdet i sig selv.

Lektoren mener, at det nye forskningsresultat bringer forskere generelt tættere på et af de helt store forskningsmål.

»Det store mål for fremtiden er, at vi en dag kan strække DNA'et ud og måske bevæge det langsomt gennem et detekteringsapparat, der kan aflæse de individuelle basepar. Det vil være en helt ny form for genomsekventering, som det her arbejde bringer os tættere på, da det i den sammenhæng kræver, at DNA'et er strukket,« siger Lene Broeng Oddershede.

Varme får DNA til at strække sig

I forskningen har Jonas Nyvold Pedersen sammen med kollegaerne Rodolphe Marie, Henrik Flyvbjerg, Christopher Lüscher, Lasse Thamdrup og Anders Kristensen lagt en enkelt DNA-streng ned i en mikroskopisk kanal på en lille chip.

En lignende teknik til at udstrække DNA har Videnskab.dk tidligere beskrevet i artiklen 'Danskere udvikler ny teknik til at se på DNA'.

Efterfølgende varmede forskerne midten af kanalen op med en laser, så væsken omkring DNA-strengen blev varmere på midten af DNA'et i forhold til enderne af DNA'et.

Forskellene i temperatur satte nogle svage fysiske kræfter i værk, som fik DNA'et til at blive udstrakt.

Disse fysiske kræfter gør nemlig, at DNA-molekyler altid vil bevæge sig fra et område med varme mod et koldere område. Derfor bevægede enderne på DNA'et sig i hver sin retning med det resultat, at DNA'et blev strukket næsten fuldt ud på midten.

»Ved at varme op omkring midten af DNA'et, lykkedes det os at strække DNA'et 80 procent ud. Det er interessant, fordi det har nogle anvendelser, når man vil lave et groft billede af DNA'et for at hjælpe ved gensekventering,« fortæller Jonas Nyvold Pedersen.

Udstrakt DNA hjælper forskere med at samle DNA-puslespil

De anvendelser, som Jonas Nyvold Pedersen taler om, er blandt andet helgenomsekventeringer.

Når forskere skal lave en helgenomsekventering, starter de med at skære hele genomet op i millioner af småstykker, som de først sekventerer og derefter prøver at sætte sammen som et meget stort puslespil (se faktaboks).

Når forskere skal helgenomsekventere eksempelvis en ny organisme, har de ikke nogen reference, som de kan kigge på, når de samler puslespillet.

Det er derfor som at lægge et puslespil med 10 millioner brikker uden at vide, hvad motivet er. Det kræver tålmodighed og en masse computerkraft.

Men ved at strække DNA'et først kan forskerne danne sig et groft overblik over, hvordan det færdige genom ser ud. Det gør det nemmere for dem at samle puslespillet efterfølgende.

»Man kan sige, at vi ved at strække DNA'et får mulighed for at se, hvor i puslespillet der er himmel, vand og bygninger,« fortæller Rodolphe Marie.

Fysikken i væske er svær at forstå

Det andet aspekt af den nye forskning har mere karakter af grundforskning.

Det drejer sig nemlig om at forstå og beskrive de fysiske love, som gør, at eksempelvis DNA-molekyler bevæger sig fra varme områder mod kolde områder i væsker.

Forskere har helt styr på fysikken og teorien, når det drejer sig om partikler i luft eller andre gasarter, for eksempel i røgpartikler.

Fysikken i væske er dog en hel del sværere at forstå. Nogle partikler og molekyler, herunder DNA, bevæger sig fra varme mod kulde, mens andre bevæger sig den modsatte vej.

Retningen afhænger af, hvad molekylerne er lavet af og faktisk også af temperaturen. Her er der ikke enighed blandt forskere om den rette forklaring.

Kan hjælpe til at løse fysisk problemstilling

Det nye forskningsresultat kommer ikke med en ny teori for, hvordan molekylerne opfører sig, men det kommer med et redskab, som andre forskere kan bruge til bedre at forstå fysikken.

»Normalt laver man den slags forsøg i en beholder med flere tusinde partikler eller store molekyler i vand. Når man varmer op lokalt, kan man se, hvordan partiklerne eller molekylerne fjerner sig fra det opvarmede område.«

»Med vores teknik giver vi forskere mulighed for at måle på de fysiske kræfter på et enkelt molekyle. Her er kræfterne stærkere, for kræfterne virker hele vejen langs det lange DNA-molekyle, ligesom når to hold trækker om kap i tovtrækning. Derfor er resultatet også tydeligere. Det vil forhåbentlig gøre det nemmere at forstå, hvad de fysiske love bag fænomenet er,« slutter Jonas Nyvold Pedersen.