ДНК-транспорт: как ДНК "подбрасывает" транскрипционные факторы к цели
Новое компьютерное моделирование, проведённое учёными из Технологического института Джорджии, бросает вызов традиционным представлениям о том, как крупные молекулы — транскрипционные факторы — перемещаются внутри клетки к своим целевым участкам на ДНК. Исследование, опубликованное 6 июня в Biophysical Journal, показывает, что ключевую роль в этом процессе играет не пассивная диффузия, а активное движение самой ДНК.
Проблема "непроходимой чащи"
ДНК в клетке упакована чрезвычайно плотно, а транскрипционные факторы (например, LacI из бактерии Escherichia coli, использованный в моделировании) — очень крупные. Пространства между петлями ДНК обычно намного меньше, чем размеры этих белков. Если бы ДНК была неподвижна, фактор оказался бы "заперт", как "горилла в собачьей клетке".
Гипотеза "дрожащих пружин"
Профессор Джеффри Сколик и специалист по вычислительным алгоритмам Эдмонд Чоу предположили, что естественная ДНК не является жёсткой конструкцией. Их симуляции показывают, что нити ДНК ведут себя как напряжённые "часовые пружины" — они изгибаются и совершают змеевидные колебания.
"Движение ДНК — это доминирующая сила, перемещающая молекулы через её чащу. ДНК — это хулиган", — заявил Сколик.
Механизм ускоренной доставки
В симуляциях нити ДНК:
- Отклоняются с пути LacI.
- "Подбрасывают" крупную молекулу в следующую полость внутри спутанной структуры.
Этот механизм объясняет высокую наблюдаемую в экспериментах скорость диффузии, которую не могут полностью объяснить известные модели "скольжения" по ДНК или "прыжков" с неё. Колебания ДНК заставляют факторы "перепрыгивать" дальше и чаще, ускоряя их перемещение.
Вычислительный подвиг
Моделирование потребовало колоссальных вычислительных ресурсов:
- Использовались высокоэффективные параллельные алгоритмы.
- Расчёты на мощных компьютерах заняли три недели.
- Для выполнимости задачи модель ДНК и LucI была упрощена, чтобы выявить динамику движения, опуская некоторые детали.
Будущее: клетка на компьютере
Конечная цель исследователей — создание упрощённой, "игрушечной" модели целой живой клетки на компьютере.
"Позволить ей жить, делиться и понять процессы. Может быть, даже позволить мутировать и эволюционировать", — говорит Сколик.
Достижение этой цели потребует создания новых алгоритмов, эффективно работающих при многократном увеличении масштаба задачи.