西弗吉尼亚大学的研究人员现在能够在原子水平上观察合成DNA，这使他们能够了解如何改变其结构，以期增强其剪刀状功能。更多地了解这些合成DNA反应可能是开启医学诊断和治疗新技术的关键。
在化学领域，这些发现有助于回答一个30年来一直存在的问题，即这种特定的DNA结构，以及科学家如何在不改变DNA本身的情况下使其产生反应，这一过程被称为催化。
研究人员的研究结果发表在《通讯化学》杂志上。
“这可能只是第三个例子，在非常详细的原子水平上，深入了解化学活性DNA如何促进其独特功能，从而赋予所有这些应用力量，”西弗吉尼亚大学医学院生物化学和分子医学系副教授、该项目的首席研究员Aaron Robart说。“原子细节为我们提供了一个长期寻求的路线图，开始建立和改进一种可以广泛应用于健康和诊断的技术。”
罗伯特说，一旦科学家们知道如何使这项技术更有效地发挥作用，理论上就可以应用于治疗视网膜变性或癌症等疾病。
罗伯特指出，研究中使用的合成DNA，被称为DNAzymes，与人类DNA不同。DNAzymes是在实验室中创造出来的，生产成本低廉，而且能够催化化学反应。它们被人工进化成具有监测空气质量和测量渗入土壤的重金属等功能。
“通常，我们认为DNA是惰性的，作为我们遗传信息的存储单元，”罗伯特说。“然而，在实验室中进化的某些类型的DNA违背了传统的规则。这些dna可以折叠成复杂的形状，使它们能够进行一系列不同寻常的反应。
“唯一的问题是，经过30年的研究，我们真的不知道这些化学反应是如何发生的。我们缺少的一件大事是我们的实验室对晶体的研究，这导致了核酸的高分辨率结构，直到原子细节，以及它们如何完成所有这些化学反应。”
为了能够在原子水平上看到DNA，罗伯特和他的实验室学生，密歇根州安湖的埃文·克莱默;卡梅隆的莎拉·斯塔科维奇(Sarah Starcovic);和马丁斯堡的Beka Avey，与位于芝加哥的美国能源部阿贡国家实验室的先进光子源合作。这一过程——x射线晶体学——包括将合成DNA结晶，然后用超强x射线照射以揭示其结构。与APS合作，该团队能够控制x射线并通过互联网收集数据。
正在攻读生物化学和分子医学博士学位的斯塔科维奇说:“利用这些信息，我们可以更好地了解其他DNAzymes在卵裂反应中的行为。”
罗伯特说，他们看到的是一种带有小臂的结构，可以伸出来找到互补序列的另一部分，并将它们夹在一起，就像魔术贴附着的方式一样。
罗伯特解释说:“这些DNA可以像分子剪刀一样精确地切割RNA或DNA，或者它们可以像胶水一样起作用。”“假设你有一个导致疾病的突变基因，我们可以将这种DNA放入细胞中，它将能够摆脱所有导致导致疾病的蛋白质的信息。”
这篇论文的第一作者、生物化学和分子医学博士生克莱默说，他希望未来的研究能够填补临床应用的知识空白。
他说:“在不完全了解其工作原理的情况下，很难改进。”
罗伯特说，下一步是专注于在DNAzymes功能的不同点捕获它们的替代技术。
罗伯特说:“这就像我们在制作一本老派动画分子翻页书。”“这种程度的细节被用来了解如何改善、瞄准和调节它们的活动。这只是数百种不同种类的DNAzymes中的一种，它们都有自己独特的特性，迫切需要应用于人类健康的主题。”
他说，他还希望从医学院的同事那里获得关于如何将模型系统用于治疗的见解。
“我们处在一个独特的位置，”罗伯特说。“我们在寻找一种疾病的潜在治疗方法。我感到很幸运，能在医学院有这么多才华横溢的合作者，帮助这项令人兴奋的技术充分发挥其潜力。”
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