Модель объясняет спиральность и упругость ДНК в наномасштабе

Исследователи из Пхоханского университета науки и технологий (Республика Корея) Джэ-Хён Чон и Вокён Сун разработали простую механическую модель, которая эффективно описывает известную двухцепочечную структуру и упругость ДНК в нанометровом масштабе. Модель опубликована в Journal of Biological Physics издательства Springer.

С 1953 года, когда Уотсон и Крик впервые описали структуру ДНК, было создано множество квантово-химических расчётов для её описания на атомарном уровне. Однако они оказались слишком требовательными к вычислительным ресурсам или аналитически неосуществимыми для адекватного описания конформации и механики ДНК в наномасштабе, изучаемых в современных экспериментах с одиночными молекулами. С другой стороны, на микронных масштабах модель червеобразной цепи успешно описывает механику и упругость ДНК аналитически, но ей не хватает молекулярных деталей, важных для описания гибридизации, наномасштабного удержания и локальной денатурации ДНК.

Чтобы заполнить этот пробел, корейские исследователи разработали рабочую и предсказательную мезоскопическую модель двухцепочечной ДНК, в которой нуклеотидные «бусины» составляют основные степени свободы.

С помощью модели учёные изучили, как дуплекс ДНК самоорганизуется в спиральную структуру благодаря стэкинг-взаимодействию между диагонально противоположными основаниями, а также как спираль деформируется под действием растягивающей силы. Они обнаружили, что переход к перерастяжению с силовым плато, наблюдаемый в экспериментах по силовому растяжению, может быть вызван сосуществованием спиральной и лестничной структур при критической силе, близкой к экспериментальному значению. Это плато возникает из-за перехода между спиральным и лестничным состояниями ДНК.

Дуэт исследователей также показал аналитически, как из их новой модели может быть выведена упругая модель, подобная модели червеобразной цепи, часто используемая в механике ДНК. Она объясняет жёсткость на изгиб и кручение через основные взаимодействия в их модели и геометрические константы ДНК, что разумно согласуется с экспериментальными значениями.

«Эта базовая модель и её расширения, используемые вместе с аналитическими расчётами и численным моделированием, открывают новые возможности для изучения различных явлений с участием одиночной молекулы ДНК — от нано- до микронных масштабов», — пишут Чон и Сун. — «Её можно использовать, например, для изучения влияния гетерогенности последовательностей, ионных растворов и крутильных ограничений на механику, а также таких явлений, как локальная денатурация ДНК и взаимодействие ДНК с белками».