Модели начинают раскрывать, как объединяются одиночные цепи ДНК
Используя компьютерное моделирование, исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон определили некоторые пути, по которым одиночные комплементарные цепи ДНК взаимодействуют и объединяются, образуя двойную спираль.
ДНК, присутствующая в клетках всех живых организмов, состоит из двух переплетённых цепей и содержит генетический "чертёж", по которому развиваются и функционируют все живые организмы. Отдельные цепи состоят из нуклеотидов, включающих основание, сахар и фосфатную группу.
Понимание гибридизации — процесса, в ходе которого одиночные цепи ДНК объединяются в двойную спираль — фундаментально для биологии и критически важно для таких технологий, как ДНК-микрочипы или наноразмерная сборка на основе ДНК. Исследование висконсинской группы начинает раскрывать, как цепи ДНК находят друг друга и связываются, говорит Хуан Х. де Пабло, профессор химической и биологической инженерии.
Команда опубликовала свои выводы 5 октября в Proceedings of the National Academy of Sciences. В группу, помимо старшего автора де Пабло, вошли Дэвид К. Шварц, профессор химии и генетики, и бывший постдок Эдвард Дж. Самбриски, ныне доцент химии в Колледже Делавэр Вэлли.
Исследователи использовали детальные молекулярные модели ДНК, разработанные группой де Пабло, для изучения путей реакций, по которым двухцепочечная ДНК подвергается денатурации (расплетанию и разделению на одиночные цепи) и гибридизации (связыванию комплементарных цепей). При уотсон-криковском спаривании оснований A (аденин) соединяется с T (тимином), а G (гуанин) — с C (цитозином). Пути реакции — это траектории, по которым одиночные цепи ДНК находят друг друга и соединяются через такие комплементарные пары.
Исследователи изучали как случайные, так и повторяющиеся последовательности оснований. В случайных последовательностях четырёх оснований (A, T, G, C) почти не было регулярных повторов. К удивлению исследователей, пара оснований, расположенных ближе к центру цепи, ассоциировалась на раннем этапе процесса гибридизации. Как только они находили друг друга, они связывались, и вся молекула гибридизировалась быстро и высокоорганизованно.
Напротив, в повторяющихся последовательностях, где основания чередовались регулярно, группа обнаружила, что эти последовательности связываются посредством так называемого диффузионного процесса. "Две цепи ДНК каким-то образом находят друг друга, соединяются в произвольном порядке, а затем долго скользят друг относительно друга, пока точные комплементы не найдут друг друга в правильном порядке, и только тогда происходит гибридизация", — говорит де Пабло.
Результаты исследования показывают, что гибридизация ДНК очень чувствительна к её составу, то есть последовательности. "Вопреки прежним представлениям, мы обнаружили, что сам процесс, посредством которого комплементарные цепи ДНК гибридизуются, очень чувствителен к последовательности молекул", — отмечает он.
Знание того, как происходит процесс, может позволить исследователям более стратегически проектировать такие технологии, как генные чипы. Например, если нужно создать последовательности, которые связываются очень быстро или с высокой эффективностью, можно разместить определённые основания в конкретных местах, чтобы реакция гибридизации протекала быстрее или надёжнее.
В конечном счёте, исследование может помочь биологам понять, почему одни реакции гибридизации протекают быстрее или надёжнее других. "Одна из действительно захватывающих вещей в этой работе — то, что реакция гибридизации между двумя цепями ДНК фундаментальна для самой жизни. Это основа большей части биологии. И поразительно, что до сих пор мы мало знали о том, как эта реакция фактически протекает", — заключает де Пабло.