DNA在芯片上占主导地位

通常，遗传物质的各个分子相互排斥。然而，当空间有限时，DNA分子必须更紧密地包装在一起。这种情况出现在精子，细胞核和病毒的蛋白质壳中。一个国际物理学家团队现已成功地在生物芯片上人工重建这种所谓的DNA缩合。

在细胞中重建重要的生物过程以更好地理解它们是研究的一个主要课题。现在，慕尼黑工业大学和雷霍沃特的魏兹曼研究所的物理学家们首次成功地在生物芯片上进行了受控的，所谓的DNA缩合。只要DNA分子紧密堆积在狭窄的空间中，例如在限制可用体积的情况下，该过程就会发挥作用。

这种情况出现在细胞核和病毒的蛋白质壳中，以及精子细胞的头部。从物理角度来看，这种现象也很有意思，因为它代表了各种各样的相变。DNA双螺旋通常由于它们的负电荷而彼此排斥，然后紧密地包装在一起。“在这种浓缩状态下，他们采取了近乎结晶的结构，”共同作者和TU教授Friedrich Simmel说。

纳米毛

由齐美尔和他的以色列同事Roy Bar-Ziv领导的国际团队设法将DNA分子仅仅千分之一毫米长(即每个长数千对碱基)紧密地粘合到芯片上不同宽度的纳米结构上。结果看起来好像研究人员在芯片表面上种植了微小的毛发。

由于它们的负电荷，DNA分子相互排斥，呈现出微小的纳米毛的外观。当研究人员添加一种名为亚精胺的试剂时，开始凝结过程，其中分子具有多个正电荷。以前直立的DNA线程一个接一个地折叠，系统地落到下一个线程的精细结构上。

这就像纳米尺度的多米诺级联。结果是紧密的DNA分子层，密集地堆积在细胞核中。所有DNA分子沿预定路径下降。“这是一个非常戏剧化的过程，”齐美尔说。“DNA立即被捆绑在一个方向上。”

缩合和去浓缩，即DNA链的重新拆包，在基因表达等过程中起着重要作用。例如，当DNA分子密集包装时，无法读取其中编码的信息。

来自DNA芯片的新见解

因此，研究人员有了进一步的构建模块，用于在芯片表面创建人工细胞并研究所有相关现象。“在芯片上实现密集堆积DNA的类细胞系统是非常合理的，”西梅尔说。然后DNA缩合可用于改善基因表达的控制和这些人工细胞中遗传信息的复制。

原则上，还可以使用密集的DNA分子通过这种生物芯片上的一种导电路径来中继和分配信号和信息。冷凝和去凝结可以用作具有良好时间控制的开/关开关。

弗里德里希·西梅尔(Friedrich Simmel)不会是一位充满激情的研究员，如果他不这样做，除了技术应用的观点，他还会关注基础物理学。“我们还想了解冷凝过程中相变的条件，”齐美尔说。“为此我们在芯片上有理想的条件。我们可以精确控制冷凝发生的位置以及需要多长时间。”

这有点像冷冻箱中的过冷水或啤酒，其中液体从结晶种子的特定点开始突然冻结，然后从那里向外扩散。唯一的区别是相变不受温度控制，而是受带正电荷分子的浓度控制。该研究由大众汽车基金会，德国研究基金会，慕尼黑卓越集群纳米系统计划(NIM)，以色列科学基金会和Minerva 80基金会资助。