Первые видео, показывающие "танцующую ДНК" в виде спирали, созданы учёными

Исследователи из университетов Йоркшира разработали видеозаписи, впервые позволяющие увидеть, как небольшие кольца ДНК совершают танцоподобные движения внутри клетки.

Видеоматериалы, созданные командой учёных из Университетов Йорка, Шеффилда и Лидса, основаны на изображениях единичной молекулы ДНК с самым высоким разрешением из когда-либо полученных. Они с беспрецедентной детализацией показывают, как напряжения и деформации, возникающие в ДНК при её плотной упаковке внутри клеток, могут изменять её форму.

Микроскопия

Ранее учёные могли видеть ДНК только с помощью микроскопов, способных делать лишь статичные изображения. Теперь команда из Йоркшира объединила передовую атомно-силовую микроскопию с суперкомпьютерным моделированием, чтобы создать видео скрученных молекул ДНК.

Изображения настолько детализированы, что можно разглядеть знаменитую двойную спиральную структуру ДНК. А в сочетании с симуляциями исследователи смогли увидеть положение каждого отдельного атома в ДНК и то, как она извивается и скручивается.

Каждая человеческая клетка содержит два метра ДНК. Чтобы эта ДНК поместилась в наших клетках, она в процессе эволюции научилась скручиваться, изгибаться и сворачиваться. Это означает, что петлеобразная ДНК повсеместно присутствует в геноме, образуя скрученные структуры, которые демонстрируют более динамичное поведение по сравнению с расслабленными.

Команда изучала мини-кольца ДНК, которые уникальны тем, что концы молекулы соединены, образуя петлю. Эта петля позволила исследователям придать мини-кольцам дополнительное скручивание, заставив ДНК "танцевать" более энергично.

Динамика

Когда исследователи визуализировали расслабленную ДНК без скручивания, они увидели, что она почти неподвижна. Однако когда они добавили скручивание, ДНК внезапно становилась гораздо более динамичной и принимала весьма экзотические формы. Было обнаружено, что эти экзотические "па" являются ключом к поиску партнёров для связывания с ДНК, поскольку, принимая более широкий спектр форм, она становится привлекательной для большего разнообразия других молекул.

Предыдущие исследования из Стэнфорда, обнаружившие мини-кольца ДНК в клетках, предполагают, что они являются потенциальными индикаторами здоровья и старения и могут служить ранними маркерами заболеваний.

Поскольку мини-кольца ДНК могут скручиваться и изгибаться, они также могут становиться очень компактными. Возможность изучать ДНК с такой детализацией может ускорить разработку новых генных терапий, используя то, как скрученные и компактные кольца ДНК могут проникать в клетки.

Доктор Агнес Ной, стипендиат EPSRC Early Career и преподаватель кафедры физики Йоркского университета, проводившая теоретическое моделирование в исследовании, сказала: "Компьютерное моделирование и изображения с микроскопа настолько хорошо согласуются, что повышают разрешение экспериментов и позволяют нам отслеживать, как танцует каждый атом двойной спирали ДНК".

Сложная задача

Доктор Элис Пайн, преподаватель полимеров и мягкой материи Шеффилдского университета, которая сделала видеозаписи, сказала: "Лучше один раз увидеть, но когда речь идёт о чём-то столь малом, как ДНК, увидеть спиральную структуру всей молекулы ДНК было чрезвычайно сложно. Видео, которые мы разработали, позволяют нам наблюдать за скручиванием ДНК с уровнем детализации, которого никогда раньше не было".

Профессор Линн Зехидрих из Медицинского колледжа Бейлора в Хьюстоне, США, создавшая мини-кольца ДНК, использованные в исследовании, сказала: "Новые структуры, полученные доктором Пайн и её коллегами с помощью АСМ для наших суперскрученных мини-колец, невероятно захватывающие, потому что они с замечательной детализацией показывают, насколько они морщинистые, пузырчатые, изогнутые, денатурированные и странной формы, что мы надеемся однажды научиться контролировать".

Доктор Сара Харрис, доцент Школы физики и астрономии Лидского университета, курировавшая исследование, сказала: "Законы физики применимы к крошечным петлеобразным молекулам ДНК так же, как к субатомным частицам и галактикам. Мы можем использовать суперкомпьютеры, чтобы понять физику скрученной ДНК. Это должно помочь таким исследователям, как профессор Зехидрих, создавать специализированные мини-кольца для будущих методов терапии".