Учёные впервые увидели начальные этапы раскручивания ДНК

Впервые учёные зафиксировали самый момент начала раскручивания ДНК — ключевое молекулярное событие, необходимое для того, чтобы ДНК была молекулой, кодирующей всю жизнь. Новое исследование из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST), опубликованное в Nature, запечатлело момент, когда ДНК начинает расплетаться, открывая путь всем последующим событиям репликации.

Это прямое наблюдение проливает свет на фундаментальные механизмы, позволяющие клеткам точно копировать свой генетический материал — основу роста и размножения.

Используя криоэлектронную микроскопию и глубокое обучение для наблюдения за взаимодействием хеликазы Simian Virus 40 Large Tumor Antigen с ДНК, лаборатории доцента KAUST Альфредо Де Бьязио и профессора Самира Хамдана представили самое детальное на сегодня описание самых первых шагов репликации ДНК: 15 атомных состояний, описывающих, как фермент хеликаза заставляет ДНК раскручиваться.

Это достижение — не только веха в исследовании хеликаз, но и прорыв в наблюдении динамики любого фермента с атомным разрешением.

Хотя учёные давно знали о важности хеликаз в репликации ДНК, «они не знали, как ДНК, хеликазы и АТФ работают вместе в согласованном цикле, чтобы запустить раскручивание ДНК», — сказал Де Бьязио.

Когда Уотсон и Крик сообщили о двойной спирали в 1953 году, они дали научному сообществу прорывное понимание того, как хранится и копируется генетическая информация. Чтобы ДНК могла реплицироваться, спираль должна сначала раскрутиться, разделив ДНК из двойной цепи на две одинарные.

Связываясь с ДНК, хеликазы «расплавляют» её, разрывая химические связи, удерживающие двойную спираль вместе. Затем они разводят две цепи в стороны, позволяя другим ферментам завершить репликацию. Без этого первого шага ни одна ДНК не может быть скопирована. Таким образом, хеликазы — это машины или, учитывая их размер, наномашины.

Если хеликазы — наномашины, то «АТФ», или аденозинтрифосфат, — это топливо. Подобно тому, как сгорание бензина приводит в движение поршни автомобильного двигателя, «сжигание» АТФ (того же топлива, что используется для сокращения мышц) заставляет шесть «поршней» хеликазы раскручивать ДНК.

Исследование показало, что по мере потребления АТФ снижаются физические ограничения, позволяя хеликазе продвигаться вдоль ДНК и раскручивать всё больше двойной цепи. Таким образом, потребление АТФ действует как переключатель, увеличивающий количество энтропии — или беспорядка — в системе, освобождая хеликазу для движения вдоль ДНК.

«Хеликаза использует АТФ не для того, чтобы одним движением разорвать ДНК, а для циклического прохождения через конформационные изменения, которые постепенно дестабилизируют и разделяют цепи. Сжигание, или гидролиз, АТФ функционирует как пружина в мышеловке, резко продвигая хеликазу вперёд и разводя цепи ДНК», — пояснил Де Бьязио.

Среди многих открытий, сделанных учёными KAUST, было то, что две хеликазы «расплавляют» ДНК в двух сайтах одновременно, чтобы инициировать раскручивание. Химия ДНК такова, что наномашины движутся по одной цепи ДНК только в одном направлении. Связываясь одновременно в двух сайтах, хеликазы координируются так, что раскручивание может происходить в обоих направлениях с энергетической эффективностью, уникальной для природных наномашин.

Эта эффективность, объясняет Де Бьязио, делает изучение репликации ДНК больше, чем попыткой ответить на самые фундаментальные научные вопросы о жизни; она также делает хеликазы моделями для проектирования новой нанотехнологии.

«С точки зрения дизайна, хеликазы являются примером энергоэффективных механических систем. Сконструированные наномашины, использующие энтропийные переключатели, могли бы использовать аналогичные энергоэффективные механизмы для выполнения сложных задач, требующих приложения силы», — сказал он.