Молекулярные силы: Неожиданное поведение ДНК при растяжении
При воздействии больших сил на массивную балку, например, при строительстве моста, она слегка деформируется. Расчёт связи между силами, внутренними напряжениями и деформациями — стандартная задача в строительной механике. Но что происходит, если применить эти принципы к микроскопическим объектам, таким как одиночная двойная спираль ДНК?
Эксперименты показывают, что механические свойства молекул ДНК кардинально отличаются от свойств макроскопических объектов, что имеет важные последствия для биологии и медицины. Учёным из TU Wien (Вена) удалось детально объяснить эти свойства, объединив подходы из строительной механики и физики.
Неожиданное поведение на молекулярном уровне
На первый взгляд, двойную спираль ДНК можно представить как крошечную пружинку, которую можно растягивать и сжимать. Однако всё сложнее: при растяжении фрагмента ДНК можно было бы ожидать уменьшения числа витков. Но в некоторых случаях происходит обратное: «Когда спираль удлиняется, она иногда закручивается ещё сильнее», — говорит инженер-строитель Йоханнес Каллиауэр из Института механики материалов и конструкций TU Wien. «Кроме того, молекулы ДНК гораздо более пластичны, чем материалы, с которыми мы обычно работаем в строительстве: под действием растягивающего напряжения они могут удлиняться на 70 %».
Эти необычные механические свойства ДНК имеют большое значение для биологии и медицины: «Когда генетическая информация считывается с молекулы ДНК в живой клетке, детали геометрии могут определять, произойдёт ли ошибка считывания, которая в худшем случае может привести к раку», — объясняет Йоханнес Каллиауэр. До сих пор молекулярная биология использовала эмпирические методы для объяснения связи между силами и геометрией ДНК.
В своей диссертации Йоханнес Каллиауэр глубоко исследовал этот вопрос, необычно сочетая дисциплины: его работой руководили, с одной стороны, инженер-строитель проф. Кристиан Хельмих, а с другой — проф. Герхард Каль из Института теоретической физики.
«Мы использовали методы молекулярной динамики, чтобы воспроизвести молекулу ДНК в атомном масштабе на компьютере, — поясняет Каллиауэр. — Вы определяете, как спирали ДНК сжимаются, растягиваются или скручиваются, а затем вычисляете возникающие силы и конечное положение атомов». Такие расчёты очень сложны и возможны только с помощью крупных суперкомпьютеров — для этого Йоханнес Каллиауэр использовал Венский научный кластер (VSC).
Таким образом удалось объяснить странные экспериментальные данные, например, контринтуитивный результат, что в определённых случаях ДНК сильнее закручивается при растяжении. «Это сложно представить в большом масштабе, но на атомном уровне всё имеет смысл», — говорит Йоханнес Каллиауэр.
Странный промежуточный мир
В рамках атомных моделей теоретической физики можно определить межатомные силы и расстояния. Используя правила, разработанные командой на основе принципов строительной механики, можно затем определить релевантные силовые величины, необходимые для описания нити ДНК как целого — аналогично тому, как статику балки в строительстве можно описать с помощью некоторых важных свойств поперечного сечения.
«Мы работаем в интересном промежуточном мире между микроскопическим и макроскопическим, — говорит Йоханнес Каллиауэр. — Особенность этого исследовательского проекта в том, что действительно нужны обе перспективы и их необходимо комбинировать».
Эта комбинация значительно разных масштабов постоянно играет центральную роль в Институте механики материалов и конструкций. В конце концов, свойства материалов, которые мы ощущаем в большом масштабе, всегда определяются поведением на микроуровне. Текущая работа, опубликованная в Journal of the Mechanics and Physics of Solids, призвана, с одной стороны, показать, как точно сочетать большое и малое в научном плане, а с другой — помочь лучше понять поведение ДНК вплоть до объяснения наследственных заболеваний.