ДНК предпочитает проходить через нанопоры головой вперёд
Физики из Университета Брауна, наблюдая за отдельными молекулами ДНК, которые электрический ток протягивает через нанопоры, выяснили, почему они чаще всего проходят головой вперёд.
Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, изучает динамику захвата молекул ДНК твёрдотельными нанопорами — крошечными отверстиями, которые вскоре могут помочь в сверхбыстром секвенировании ДНК. Исследование показало, что когда цепь ДНК захватывается и протягивается через нанопору, она с гораздо большей вероятностью начинает это движение с одного из своих концов, а не захватывается где-то посередине и не проходит в сложенной конфигурации.
«Если вы хотите провести секвенирование или какой-либо другой анализ, вам нужно, чтобы молекула проходила через пору от головы к хвосту», — говорит Дерек Штейн, доцент физики.
Технология секвенирования нанопорами развивается быстро, но оставались базовые вопросы о поведении молекул в момент захвата. Чтобы это выяснить, исследователи тщательно отследили более 1000 случаев прохождения молекулы через нанопору. Электрический ток через пору даёт сигнал о том, как прошла молекула: молекулы, проходящие серединой, должны сложиться пополам, что занимает больше места в поре и блокирует больше тока. Анализируя различия в токе, команда смогла подсчитать, сколько молекул прошло головой вперёд, а сколько — с середины.
Исследование показало, что молекулы в несколько раз чаще захватываются у самого конца или очень близко к нему, чем в любой другой отдельной точке вдоль молекулы.
Объяснение из теории полимерных сетей
Экспериментальные результаты хорошо объясняются старой теорией полимерных сетей, например, описывающей структуру желе (Jell-O). В воде молекулы ДНК запутаны в случайные петли, подобно молекулам желатина.
«Оказывается, существует мощная теория, описывающая, сколькими способами полимеры в желе могут располагаться и прикрепляться друг к другу. Она идеально применима к проблеме захвата этих молекул ДНК нанопорой», — поясняет Штейн.
Применительно к ДНК эта теория предсказывает, что если подсчитать все возможные конфигурации цепи ДНК в момент захвата, окажется, что конфигураций, в которых она захвачена за конец, больше, чем конфигураций с захватом за другие точки цепи. Это мера энтропии молекулы.
Некоторые учёные предполагали, что цепи реже проходят серединой, потому что их складывание пополам требует дополнительной энергии. Но эта энергия складывания, по-видимому, не имеет значения.
«Количество способов, которыми молекула может оказаться с головой, торчащей в поре, просто больше, чем количество способов, которыми она может оказаться с касающейся поры серединой», — говорит Штейн.
Эти теории полимерных сетей были впервые предложены нобелевским лауреатом Пьером-Жилем де Женом в 1960-х годах. Мирна Миховиливич, аспирант и ведущий автор исследования, отмечает, что это один из первых лабораторных тестов этих теорий.
«[Де Жен] предполагал, что однажды это можно будет проверить. Думаю, он был бы очень взволнован, увидев, как это происходит», — говорит Миховиливич.