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Konformationen und Kryokraftspektroskopie von auf Gold gesprühter Einzelstrang-DNA
12.02.2019 11:43

Kryo-Elektronenmikroskopie kann die Struktur biologischer Materie in verglasten Flüssigkeiten bestimmen. Die Struktur allein reicht jedoch nicht aus, um die Funktion von nativen und konstruierten Biomolekülen zu verstehen. Bislang wurden ihre mechanischen Eigenschaften hauptsächlich bei Raumtemperatur mit Dutzenden Pico-Newton-Kräften mit einer durch thermische Schwankungen begrenzten Auflösung untersucht. Hier kombinieren wir Kraftspektroskopie und Computersimulationen unter kryogenen Bedingungen, um die Adhäsion und die intramolekularen Eigenschaften von durch Aufbringen von Einzelstrang-DNA-Oligomeren auf Au(111) zu bestimmen. Bilder im Sub-Nanometer-Bereich zeigen durch Simulationen bestätigte Faltungskonformationen. Das Anheben zeigt eine Abnahme der gemessenen Steifheit mit scharfen Einbrüchen alle 0.2-0.3 nm, die mit dem sequenziellen Ablösen und Ablösen einzelner Nukleotide verbunden sind. Im Nano-Newton-Bereich wird eine Steifigkeit von 30-35 Nm-1 pro gestreckter Wiederholungseinheit abgeleitet. Diese kombinierte Studie schlägt vor, wie die Kryokraftspektroskopie von adsorbierten heterogenen (Bio)-Polymeren besser kontrolliert werden kann und möglicherweise die Erkennung einzelner Basen in nur wenige Nanometer langen DNA-Strängen ermöglicht wird.

Publikation

Rémy Pawlak, J. G. Vilhena, Antoine Hinaut, Tobias Meier, Thilo Glatzel, Alexis Baratoff, Enrico Gnecco, Rubén Pérez, Ernst Meyer: "Conformations and cryo-force spectroscopy of spray-deposited single-strand DNA on gold". Nature Communications 10 (2019), Article number: 685.


41467_2019_8531_Fig1

Fig. 1: ssDNA morphologies as a function of Au(111) annealing temperature.
(a) Overview of STM images of spray-depo­sited ssDNA on Au(111) at room tempe­rature, after annea­ling at 340, 440, and above 500 K, respec­tively. (b) STM image of hydra­ted ssDNA after spray-depo­sition at room tem­pe­ra­ture. (c) Top view of a repre­sen­ta­tive ssDNA structure on Au(111) obtai­ned from MD simu­lations per­for­med in vacuum at 400 K. (d) STM image of a dehy­drated single 20-cyto­sine ssDNA oligo­mer after 440-K annea­ling and the cor­res­pon­ding high reso­lution con­stant height AFM image, both acqui­red with a CO-termi­nated tip. The struc­tural model of c is super­impo­sed on the STM image. (e) STM image of self-assem­bled dehy­dra­ted ssDNA oligo­mers after 500 K annea­ling and the corres­pon­ding AFM image. All STM images were recorded at 5 K with I = 2 pA and V = -1.3 V. Properly scaled top views of the re­pre­sen­ta­tive ssDNA struc­ture are super­impo­sed on (b), (d), (e) as a guide for the eye.

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