Разрыв связей: Расплетение двойной спирали раскрывает физику ДНК

Исследовательская группа под руководством Кристиана Микелетти из SISSA взялась за сложную задачу: точно восстановить, как части сложной молекулы удерживаются вместе, имея данные только о том, как молекула деформируется и распадается. Учёные изучили, как двойная спираль ДНК расплетается при высокоскоростной транслокации через нанопору, и смогли восстановить фундаментальные термодинамические свойства ДНК, основываясь исключительно на скорости этого процесса.

Транслокация полимеров через нанопоры давно изучается как фундаментальная теоретическая проблема, а также имеет практические применения, например, для секвенирования генома. Этот процесс предполагает протягивание нити ДНК через пору настолько узкую, что может пройти только одна цепь двойной спирали, в то время как вторая остаётся снаружи. В результате транслоцируемая двойная спираль ДНК неизбежно расщепляется и раскручивается — этот эффект называется расплетением (unzipping).

Команда, в которую также вошли Антонио Сума из Университета Бари (первый автор) и Винченцо Карневале из Университета Темпл, использовала компьютерный кластер для моделирования процесса с разными движущими силами, отслеживая скорость расплетения ДНК. Этот тип данных редко изучался, хотя он напрямую доступен в экспериментах.

Используя ранее разработанные теоретические и математические модели, исследователи смогли пойти «обратным путём»: применить информацию о скорости для точного восстановления термодинамики образования и разрыва структуры двойной спирали.

«Предыдущие теории, — объясняют учёные, — исходили из детального знания термодинамики молекулярной системы, которое затем использовалось для предсказания реакции на более или менее инвазивные внешние воздействия. Это само по себе является серьёзной проблемой. Мы рассмотрели обратную задачу: мы начали с реакции ДНК на агрессивные воздействия, такие как принудительное расплетение двойной спирали, чтобы восстановить детали термодинамики».

«Из-за инвазивного и быстрого характера процесса расплетения проект казался обречённым на провал, и, вероятно, поэтому его никогда не пробовали раньше. Однако мы также знали, что правильные теоретические и математические модели, если они применимы, могут предложить нам перспективное решение проблемы. Проанализировав обширный набор собранных данных, мы были очень взволнованы, обнаружив, что это именно тот случай; мы были рады, что у нас была верная интуиция».

Используемая в исследовании методика является общей, поэтому учёные ожидают, что смогут распространить её за пределы ДНК на другие, ещё относительно малоизученные молекулярные системы. Яркий пример — так называемые молекулярные моторы, белковые агрегаты, которые используют энергию для циклических преобразований, подобно двигателям в нашей повседневной жизни.

«До сих пор, — подчёркивают исследователи, — изучение молекулярных моторов начиналось с формулирования гипотез об их термодинамике и последующего сравнения предсказаний с экспериментальными данными. Новый метод, который мы проверили, должен позволить пойти обратным путём, а именно использовать данные экспериментов вне равновесия для восстановления термодинамики, что даёт явные концептуальные и практические преимущества».