Разгадка кинетики гибридизации ДНК
Учёные из UNSW Medicine & Health и теоретические физики из EMBL Australia Node in Single Molecule Science объединились, чтобы прояснить сложные механизмы, определяющие скорость полного соединения двух комплементарных цепей ДНК в двойную спираль (гибридизацию). Результаты опубликованы в журнале Nucleic Acids Research.
Около 50 лет назад была предложена теория, согласно которой скорость гибридизации ДНК определяется начальным контактом, который приводит к дальнейшему связыванию цепочки комплементарных оснований — так называемым зародышевым (нуклеирующим) взаимодействиям. До сих пор эта теория не была доказана из-за сложностей биологии ДНК.
«Существует огромное количество путей, по которым две полностью разделённые цепи могут связаться друг с другом. Цепи ДНК не соединяются в полностью гибридизованную дуплексную структуру мгновенно. В какой-то момент спонтанно соединятся только два или три пары оснований. Это и есть зародышевое событие», — пояснил руководитель исследования, адъюнкт-профессор Лоуренс Ли.
Команда построила простую математическую модель всего с двумя параметрами и проверила, можно ли, зная только количество и стабильность нуклеирующих взаимодействий, предсказать скорость гибридизации. Ответ оказался положительным.
Для количественной проверки модели исследователи перевели исходную гипотезу в математическую формулу и сравнили её с экспериментальными наблюдениями на синтетической ДНК. Ключом к предсказательной силе модели стала её простота.
«Если математическая модель содержит слишком много различных параметров, она становится бесполезной для прогнозов. Ключевое отличие нашей работы от предыдущих попыток понять скорость гибридизации ДНК в том, что у нашей модели было мало параметров, и она тестировалась на последовательностях ДНК, которые не должны формировать вторичные структуры», — отметил A/Prof Lee.
Вторичные структуры ДНК, которые образуются при сворачивании цепей самих на себя, могут маскировать места нуклеации и связывания.
«Теория гласит: если это начальное малое взаимодействие достаточно стабильно, оно приведёт к очень быстрому "застёгиванию молнии" цепей ДНК. Если лимитирующей стадией является нуклеация, то следует, что при большем количестве зародышевых состояний ДНК должна гибридизоваться быстрее», — сказал A/Prof Lee.
Это открытие может улучшить понимание биологических систем. Возможность предсказывать или контролировать скорость гибридизации ДНК также поможет усовершенствовать или расширить применение нанотехнологий. Теперь исследователи могут регулировать скорость связывания ДНК, изменяя количество и стабильность нуклеирующих взаимодействий. Этого можно достичь разными способами, включая изменение температуры реакции, последовательности ДНК и ионной силы раствора.
«Мы можем получать изображения высокого разрешения с помощью DNA-PAINT — флуоресцентных меток для микроскопии на основе ДНК, — потому что измеряем связывание и разъединение ДНК с отдельными молекулами. Однако сбор данных может занимать много времени. Если бы мы могли рационально сконструировать последовательности для DNA-PAINT так, чтобы они связывались быстрее, мы могли бы сократить время получения изображений в сверхразрешающей микроскопии», — заключил A/Prof Lee.