Более реалистичный взгляд на ДНК в действии: исследование показывает её иное поведение в условиях молекулярной "толчеи"

Создав более приближенную к реальности модель среды ДНК, исследователи из Северо-Западного университета обнаружили, что для разделения цепей двойной спирали — ключевого процесса, который должна пройти "покоящаяся" ДНК перед репликацией или репарацией — может потребоваться больше механического усилия, чем считалось ранее.

Большинство биохимических лабораторий изучают ДНК, изолируя её в водном растворе, что позволяет манипулировать молекулой без взаимодействия с другими веществами. Также для разделения цепей обычно используют нагрев до более 150°F (~65.5°C) — температуры, недостижимой для живой клетки. В реальной клетке ДНК существует в крайне "переполненной" среде, и специальные белки механически раскручивают и разъединяют двойную спираль.

"Внутренность клетки сверхплотно заполнена молекулами, а большинство биохимических экспериментов проводятся в условиях крайне низкой плотности", — пояснил профессор Джон Марко. — "Дополнительные молекулы можно представить как бильярдные шары. Они бьются о двойную спираль ДНК и мешают ей раскрыться".

Исследование под руководством профессора Марко и постдока Парта Десаи проводилось с использованием микроскопических магнитных пинцетов. К одному концу молекулы ДНК крепилась поверхность, к другому — магнитные частицы, после чего проводилась высокотехнологичная визуализация.

В статье, принятой к публикации в Biophysical Journal, учёные не только идентифицировали, но и количественно оценили влияние молекулярной "толчеи" на ДНК.

Десаи вводил в раствор с ДНК три типа молекул для имитации белков и изучал взаимодействия с глицерином, этиленгликолем и полиэтиленгликолем (размером около 2–3 нанометров, сопоставимым с двойной спиралью ДНК).

"Мы хотели получить разнообразные молекулы: одни вызывают дегидратацию, механически дестабилизируя ДНК, а другие — стабилизируют её", — сказал Десаи. — "Это не полная аналогия клеточным условиям, но можно представить, что конкурирующие белки в клетке будут иметь схожий эффект".

Такие фундаментальные исследования, по словам Марко, лежат в основе многих медицинских достижений, например, глубокого секвенирования ДНК, позволяющего сегодня прочитать весь геном человека менее чем за сутки. Учёные полагают, что их выводы могут быть применимы и к другим фундаментальным биохимическим процессам.

"Если это влияет на разделение цепей ДНК, то и все взаимодействия белков с ДНК также будут затронуты", — отметил Марко. — "Например, способность белков связываться с определёнными сайтами на ДНК и контролировать специфические процессы также будет изменена из-за "толчеи"".

Помимо экспериментов с несколькими агентами "толчеи", команда планирует приблизить модель к реальной клетке и изучить, как скученность влияет на взаимодействия ферментов и ДНК.