Forskningsartikeln, som snart publiceras i Physical Review E, förklarar den grundläggande fysiken bakom det fenomen som kallas translokation av polymerer. Kunskap om detta fenomen kan bidra till skapandet av tredje generationens genanalysatorer. Med hjälp av dem kan utredningar av patienternas arvsmassa i framtiden bli en rutinåtgärd inom hälsovården.
Kartläggningen av människans arvsmassa är en mänsklighetens största bedrifter. Metoden för att kartlägga arvsmassan, som är lagrad i miljoner baser i DNA-molekylkedjan, uppfanns redan på 1970-talet, men det var först 2001 som man lyckades kartlägga hela arvsmassan.
Den första genkartläggningen av människan kostade närmare 3 miljarder dollar. Analysen är fortfarande mycket arbetsam: att kartlägga en enda människas arvsmassa kostar mer än 10 000 dollar.
Translokation, som Timo Ikonen forskat i, möjliggör en mycket enklare metod för att klarlägga genernas bassekvens. Redan på 1990-talet gjordes upptäckten att om man tvingar en DNA-kedja genom en liten nanopor med hjälp av elektrisk ström kan man identifiera olika typer av baser på förändringar i strömmen.
Experimentella fysiker var snabba att undersöka om fenomenet skulle kunna tillämpas på kartläggningen av arvsmassans bassekvens. En handfull teoretiker började i sin tur fundera på vad som sker i själva translokationen. Den första teorin om translokation presenterades 1996 av professor Sungs grupp, numera Ikonens forskningspartner.
Den första DNA-sekvensern som baserar sig på translokation av DNA släpps snart ut på marknaden, men själva teorin har varit kontroversiell. Experiment har visat att när en DNA-kedja tvingas genom en por som endast är några nanometer tjock med hjälp av elström, går kedjans första monomerer mycket snabbt genom poren. Sedan saktar processen av, tills translokationshastigheten i något skede ökar igen.
– Det är det som har varit miljondollarsfrågan, varför händer detta, berättar forskaren Timo Ikonen,
DNA-kedjan är som en ihoptrasslad trädgårdsslang
I sin artikel presenterar Ikonen en matematisk modell som förklarar hur translokationsprocessen går till. Forskaren jämför DNA-kedjan med en trädgårdsslang som ligger ihoptrasslad på marken.
– När knutarna småningom öppnar sig och den stump man drar i blir längre, blir det tyngre att dra, förklarar Ikonen.
Till sist är hela slangen i rörelse, då är det tyngst att dra i den. När över hälften av DNA-tråden har passerat nanoporen börjar baskedjans slutända bli kortare och translokationen blir allt snabbare.
Ikonens insikt om att friktionen i translokationen av DNA-tråden är beroende av tid föddes i januari 2011 under ett forskningsbesök i Sydkorea. Professor Sungs forskarstuderande presenterade den japanske professorn Takahiro Sakaues forskningsartikel, där translokationsprocessen hade förklarats på ett likande sätt. Ikonen korrigerade Sakaues bristfälliga utgångshypotes, och snart gav den nya modellen resultat som stämde så gott som helt överens med simuleringar på molekylnivå.
– Det var helt otroligt, säger Ikonen när han minns de första resultaten.
Redan det första föredraget på American Physical Society APS konferens fick välförtjänt uppmärksamhet.
I sin artikel Unifying model of driven polymer translocation som snart ska publiceras förklarar Ikonen också hur molekylkedjans längd påverkar translokationstiden. Ikonens modell avslöjar varför datorsimuleringar och tidigare matematiska modeller har gett motstridiga resultat.
– Tidigare har man jämfört äpplen med apelsiner. I simuleringarna har man använt kedjor som varit högst tusen monomerer långa, medan de matematiska modellerna är baserade på oändligt långa kedjor.
Ikonen upptäckte att DNA-kedjans totala längd slutar påverka hur translokationen framskrider först när kedjan är cirka 100 000 baser lång. Den nya teorin och de nya simuleringarna ger samma resultat oavsett hur långa kedjorna är.
– Det bevisar att vår uppfattning om hur kraft framskrider motsvarar det som faktiskt sker under translokationen.
Ikonens modell är grundforskning som kan tillämpas på många områden. Förståelsen om den grundläggande fysiken bakom translokation är värdefull för dem som utvecklar nya gensekvensrar. Med den tredje generationens apparater kan priset för en genkartläggning sjunka till under 100 dollar.
Translokation sker även i många andra biologiska processer, t.ex. när virus injicerar sin arvsmassa genom en cellvägg. Den nya modellen ger forskarna förutsättningar att förstå hur långa polymerkedjor passerar nanometerstora öppningar. I naturen är det ytterst svårt att observera sådana nanofenomen. Nu kan forskarna använda en vanlig PC för simuleringar som förr krävde en superdator.
Artikeln Unifying model of driven polymer translocation har förhandspublicerats på tjänsten arXiv -palvelussa.
Mer information om forskningsgruppen The Multiscale Statistical Physics Group
Mer information om forskningen:
Forskare Timo Ikonen
Högskolan för teknikvetenskaper
tfn. 09 470 25 808
timo.ikonen@aalto.fi