Пузырящиеся и отрыгивающие капли ДНК

Международная коллаборация учёных из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана (LMU) и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) объяснила механизм образования пузырей в жидких каплях, сформированных из ДНК, под действием ферментов.

Современные исследования в клеточной биологии показали, что молекулярные компоненты живых клеток (такие как ДНК и белки) могут связываться друг с другом, образуя жидкие капли, похожие на капли масла в заправке для салата. Чтобы понять, как эти капли взаимодействуют с другими компонентами, команда создала модельную систему — жидкую каплю из частиц ДНК — и наблюдала за её взаимодействием с ДНК-расщепляющим ферментом.

Удивительно, но в некоторых случаях добавление фермента заставляло капли ДНК внезапно начать пузыриться, как кипящая вода. «Странность в том, что мы не нагревали систему — это как если бы кастрюля с водой закипела, хотя вы забыли включить плиту», — говорит профессор Омар Салих из UCSB, соавтор проекта. Однако такое поведение проявлялось не всегда: иногда фермент заставлял капли плавно уменьшаться.

В ходе точных экспериментов исследователи выявили два типа «сжатия» капли:

1. Вызванное разрезанием ферментом ДНК только на поверхности капли.
2. Вызванное проникновением фермента внутрь капли.

Ключевым открытием стало то, что пузырение и сжатие из-за проникновения происходят вместе и только тогда, когда частицы ДНК слабо связаны друг с другом. Сильно связанные частицы ДНК удерживают фермент снаружи. «Это как пытаться пройти через толпу — если люди крепко держатся за руки, вы не сможете пройти», — поясняет Салих.

Механизм пузырения в слабосвязанных системах:

1. Фермент проникает внутрь капли и начинает «поедать» ДНК изнутри.
2. Образующиеся химические фрагменты создают осмотический эффект, заставляя воду втягиваться внутрь капли.
3. Это приводит к набуханию и образованию пузырей.
4. Пузыри растут, достигают поверхности капли и высвобождают фрагменты в виде «отрыжки».

Работа демонстрирует сложную взаимосвязь между фундаментальными материальными свойствами биомолекулярной жидкости и её взаимодействием с внешними компонентами. Полученные знания могут привести к созданию лучших моделей живых процессов и усовершенствованию методов инженерии жидких капель для использования в качестве синтетических биореакторов.

Исследование стало возможным благодаря стипендии Александра фон Гумбольдта, позволившей профессору Салиху работать в Мюнхене непосредственно с Тимом Лидлом (LMU).