Молекулярная линейка из золота и ДНК

Ученые из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета в Беркли разработали линейку из золотых наночастиц и ДНК, способную измерять мельчайшие биологические явления, например, точное место связывания белка с цепью ДНК.

Молекулярная линейка, описанная в первом выпуске журнала Nature Nanotechnology за октябрь, обеспечивает безындикаторные измерения в реальном времени для широкого спектра белково-ДНК взаимодействий с чрезвычайно высоким разрешением. Это может сыграть ключевую роль в понимании того, как генетическая информация передается от ДНК к РНК и далее к экспрессии генов.

В отличие от современных методов, которые анализируют конечные продукты этого процесса (уровни экспрессии генов и белков), новая линейка позволяет наблюдать самые начальные стадии — события связывания белка с ДНК, которые и запускают весь каскад.

Принцип работы и преимущества

Линейка состоит из золотой наночастицы, к которой прикреплено около 100 двухцепочечных сегментов ДНК длиной 54 пары оснований. Её работа основана на плазмонном резонансе — коллективных колебаниях электронов в металлической частице (золото-ДНК конъюгате). Когда длина ДНК-«ножек» меняется, меняется и резонансная длина волны рассеяния частицы, что легко детектируется спектроскопически.

Ключевые преимущества метода:

• Безындикаторный: не требует мечения ДНК или белков радиоактивными или флуоресцентными метками.
• Высокое разрешение: может детектировать укорачивание цепи ДНК всего на 1 пару оснований.
• Широкий динамический диапазон: способен измерять крупные белково-ДНК комплексы длиной до 17 нм (в теории — до 70 нм).

Практическое применение: картирование ДНК

Исследователи продемонстрировали работу линейки на примере ДНК-футпринтинга — определения точного места связывания белка с ДНК.

1. К золотой наночастице прикрепили ДНК-«ножки» длиной 54 п.о., в которые встроили специфическую последовательность для связывания модельного белка EcoRI(Q111).
2. После связывания белка с ДНК добавили фермент экзонуклеазу. Этот фермент начинает «переваривать» ДНК с свободного конца, удаляя пары оснований одну за другой, пока не встречает препятствие — связанный белок.
3. Укорочение ДНК-«ножек» фиксировалось по сдвигу плазмонного резонанса золотой наночастицы. По величине сдвига (в нанометрах) точно определялось, сколько пар оснований было удалено, а значит, и местоположение сайта связывания белка.

Перспективы

Молекулярная линейка может применяться не только для футпринтинга, но и для мониторинга активности любых ферментов, изменяющих длину ДНК (например, нуклеаз). Отсутствие необходимости в метках открывает возможность для высокопроизводительного скрининга в микрочипах или микрофлюидных устройствах.

Статья в Nature Nanotechnology озаглавлена: «A nanoplasmonic molecular ruler for measuring nuclease activity and DNA footprinting».