Onderzoekers hebben een voorheen onbekend type moleculaire beweging in DNA-druppels ontdekt, wat mogelijk een revolutie teweegbrengt in ons begrip van cellulaire processen en de weg vrijmaakt voor geavanceerde biomaterialen. Deze bevinding kan leiden tot aanzienlijke vooruitgang in de geneeskunde en materiaalkunde.
Wetenschappers van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz, het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek en de Universiteit van Texas in Austin hebben waargenomen dat gastmoleculen, bij het binnengaan van druppels gemaakt van DNA-polymeren, zich niet willekeurig verspreiden. In plaats daarvan bewegen ze op een ordelijke manier door de druppels, waarbij ze een scherpe, golfachtige voorkant vormen. "Dit is volkomen onverwacht gedrag", legt Weixiang Chen van de afdeling Chemie van de JGU uit. Hun bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology.
In het klassieke diffusiemodel verspreiden moleculen in vloeistoffen zich geleidelijk. Wanneer bijvoorbeeld een druppel blauwe kleurstof aan water wordt toegevoegd, verspreidt de kleur zich langzaam. De gastmoleculen in de DNA-druppels gedragen zich echter anders. Volgens professor dr. Andreas Walther van de afdeling Chemie van de JGU, "De moleculen bewegen op een gestructureerde en gecontroleerde manier die in tegenspraak is met klassieke modellen, die lijken op een moleculaire golf of een bewegende grens."
Het onderzoeksteam gebruikte druppels gemaakt van duizenden enkele DNA-strengen, ook wel biomoleculaire condensaten genoemd. De unieke eigenschap van deze druppels is dat hun eigenschappen nauwkeurig kunnen worden aangepast met behulp van de DNA-structuur en parameters zoals zoutconcentratie. Deze druppels zijn ook relevant in biologische cellen, die vergelijkbare condensaten gebruiken om complexe biochemie te organiseren zonder membranen. Chen stelt: "Onze synthetische druppels vormen dus een uitstekend modelsysteem om natuurlijke processen na te bootsen en beter te begrijpen." De onderzoekers brachten speciaal ontworpen "gast" DNA-strengen in de DNA-druppels, die specifiek de binnenkant van de druppels konden herkennen en eraan konden binden. De nieuwe beweging van de gastmoleculen wordt toegeschreven aan het sleutel-slotprincipe, waarbij het toegevoegde DNA en het DNA dat in de druppel aanwezig is, zich aan elkaar binden. Dit creëert een dynamische toestand, wat een volledig nieuw fenomeen is in zachte materialen, aldus Chen.
Deze bevindingen zijn niet alleen belangrijk voor het begrijpen van de fysica van zachte materialen, maar ook voor chemische processen in cellen. Walther suggereert: "Ze zouden een van de ontbrekende puzzelstukjes kunnen zijn bij het begrijpen hoe cellen signalen reguleren en moleculaire gebeurtenissen organiseren." Dit is met name interessant voor de behandeling van neurodegeneratieve ziekten, waarbij eiwitten migreren van celkernen naar het cytoplasma en condensaten vormen. Naarmate deze ouder worden, gaan ze over van een dynamische naar een meer vaste toestand, waarbij problematische fibrillen worden gevormd. Walther concludeert: "Het is op zijn minst denkbaar dat deze verouderingsprocessen kunnen worden beïnvloed met behulp van onze bevindingen, wat op de lange termijn een compleet andere behandelingsoptie voor neurodegeneratieve ziekten zou openen.”