Случайные блуждания по ДНК

Учёные выяснили, как бактериальный фермент развил энергоэффективный метод для перемещения на большие расстояния вдоль ДНК. Результаты, опубликованные в Science, дают новое представление о сопряжении химической и механической энергии ферментами класса хеликаз — широко распространённой группой белков, которые в клетках человека связаны с некоторыми видами рака.

Новый механизм работы хеликазы, обнаруженный в этом исследовании учёными из Бристольского университета и Технического университета Дрездена, может помочь объяснить некоторые невыясненные роли хеликаз в биологии человека, что, в свою очередь, поможет в разработке будущих технологических и медицинских применений.

Общепринятый взгляд на ДНК-хеликазы заключается в том, что они движутся вдоль ДНК и «расплетают» двойную спираль, создавая одноцепочечные участки для репарации или копирования. Этот процесс требует механической работы, поэтому движение фермента должно быть сопряжено с потреблением химического «топлива» — АТФ. Эти ферменты часто рассматривают как молекулярные моторы.

В новой работе команда Ральфа Зайделя из Технического университета Дрездена разработала микроскоп, способный растягивать отдельные молекулы ДНК и одновременно наблюдать за движением отдельных флуоресцентно меченых хеликаз. Параллельно исследователи из Бристоля использовали флуоресцентную спектроскопию с миллисекундным разрешением, чтобы выявить динамические изменения в конформации белка и кинетику потребления АТФ.

Команда изучала хеликазу, обнаруженную у бактерий, которая движется вдоль вирусной (бактериофаговой) ДНК. Работа показала, что, к удивлению, фермент потреблял АТФ только в начале реакции, чтобы изменить свою конформацию. В дальнейшем движение на большие расстояния вдоль ДНК происходило за счёт теплового движения — иными словами, столкновений с окружающими молекулами воды. Это создаёт характерное одномерное «случайное блуждание», при котором белок с одинаковой вероятностью может двигаться как вперёд, так и назад.

Марк Щелкун, профессор биохимии и один из старших авторов исследования, сказал: «Этот фермент использует энергию АТФ для принудительного изменения конформации белка, а не для расплетания ДНК. Последующее движение по ДНК не требует затрат энергии от АТФ. Хотя движение случайное, оно происходит очень быстро, и фермент может преодолевать большие расстояния по ДНК быстрее, чем многие АТФ-зависимые моторы. Это можно рассматривать как более энергоэффективный способ перемещения вдоль ДНК, и мы предполагаем, что этот механизм может использоваться в других генетических процессах, таких как репарация ДНК».