Аннотация:
По основным законам физики объекты с одинаковым электрическим зарядом должны отталкивать друг друга. Поскольку сама молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) обычно несет отрицательный заряд, две нити двойной спирали ДНК обычно вызывают сильное электростатическое отталкивание, когда они приближаются друг к другу. Однако внутри живых клеток молекулам ДНК часто приходится достигать тесного контакта и точного спаривания, чтобы управлять основными жизненными процессами, такими как рекомбинация генов и подавление генов.
Международная исследовательская группа, возглавляемая совместно Университетом Йорка и Университетом Шеффилда в Великобритании, недавно использовала атомно-силовую микроскопию высокого разрешения и моделирование молекулярной динамики, чтобы напрямую наблюдать и впервые раскрыть микрофизический механизм, с помощью которого молекулы ДНК преодолевают электростатическое отталкивание и плотно сжимаются, как «молния».
Это экспериментальное открытие представляет собой первое прямое визуальное свидетельство микроструктуры «электростатической модели застежки-молнии ДНК», предложенной около 20 лет назад. Более ранние теоретические гипотезы предполагали, что ионы соли в растворе, окружающем ДНК, могут вызывать образование чередующегося рисунка положительных и отрицательных зарядов на поверхности спирали, заставляя две параллельные молекулы ДНК тесно сцепляться, как две переплетающиеся винтовые лестницы. Однако из-за чрезвычайно слабых сил на молекулярном уровне и быстрых динамических изменений эта гипотеза всегда оставалась на стадии теоретических выводов и не подтверждалась напрямую экспериментальными изображениями.
В этом исследовании научно-исследовательская группа использовала высокоточный атомно-силовой микроскоп для проведения точного сканирования поверхности на наноуровне образцов короткой цепи ДНК и четко наблюдала высокоточное выравнивание бороздки к бороздке двух нитей ДНК. Одновременное сверхкрупномасштабное компьютерное молекулярно-динамическое моделирование дополнительно выявило движущую силу этого процесса: крошечные ионы металлов с двойными положительными зарядами (например, двухвалентные катионы) играют решающую роль «молекулярного мостика» в растворе. Эти положительно заряженные ионы могут быть точно вставлены в спиральные бороздки ДНК, расширяя силу взаимодействия, подобную заряженным плечам, и одновременно притягивая две отрицательно заряженные молекулы ДНК, тем самым полностью нейтрализуя и пересекая барьер электростатического отталкивания, который первоначально препятствовал их сближению.
Исследование также показало, что сила спаривания между нитями ДНК не распределена равномерно, но демонстрирует значительную зависимость от последовательности оснований. Определенные последовательности ДНК обладают более сильной способностью связываться с ионами металлов, образуя серию «горячих точек спаривания» в геноме, которые склонны к физическому выравниванию и плотному сцеплению.
Ученые заявили, что выяснение этого микроскопического механизма имеет двойное значение для фундаментальной медицины и биоинженерии. На уровне механизмов заболевания выявление «горячих точек» спаривания ДНК в геноме может помочь исследователям понять, как определенные мутации нарушают нормальную сборку хроматина или рекомбинационное спаривание, это может вызвать клеточные аномалии и даже вызвать рак; На уровне биотехнологии освоение физических законов самосборки ДНК с помощью ионных мостиков предоставит наноинженерам новые руководящие принципы проектирования для настройки высокопрочных, программируемых искусственных наноструктур ДНК и носителей доставки лекарств.
Комментарии