У нещодавньому науковому відкритті, яке змінює багаторічні уявлення про будову дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) – фундаментальної молекули спадковості, що містить генетичний код всіх живих організмів – вчені виявили, що структури, які раніше помилково вважалися вузлами, насправді є зовсім іншими утвореннями.
Всередині клітин молекула ДНК постійно скручується, копіюється та роз’єднується. Ці скручування мають суттєвий вплив на функціонування генів, визначаючи, які з них будуть активовані та коли. Вивчення того, як ДНК реагує на різноманітні навантаження, допомагає науковцям краще зрозуміти механізми контролю генів, загальну організацію молекули та те, як порушення цих процесів можуть призводити до розвитку хвороб.
Протягом багатьох років дослідники використовували нанопори – крихітні отвори, достатньо широкі для проходження однієї нитки ДНК, – щоб швидко та недорого зчитувати послідовності ДНК. Ці системи працюють за принципом вимірювання електричного струму, що проходить через нанопору. Коли молекула ДНК прослизає крізь неї, вона викликає характерні зміни у цьому струмі, які відповідають кожній із чотирьох “літер” генетичного коду ДНК: аденіну (A), тиміну (T), цитозину (C) та гуаніну (G).
Раніше несподівані уповільнення або стрибки в цьому електричному сигналі часто інтерпретувалися як вузли на ДНК. Однак нове дослідження, опубліковане 12 серпня в журналі «Physics Review X», показує, що ці зміни сигналу можуть свідчити й про наявність плектонем. Плектонеми – це природні спіральні утворення, що формуються, коли ДНК скручується під впливом механічного напруження.
«Вузли та плектонеми можуть виглядати дуже схожими на нанопорових сигналах, – пояснив провідний автор дослідження Ульріх Кайзер, фізик із Кавендішської лабораторії Кембриджського університету, в інтерв’ю виданню Live Science. – Але вони походять від дуже різних фізичних механізмів. Вузли схожі на тугі заплутування; плектонеми більше нагадують спіральні пружини, утворені крутним моментом».
Для вивчення цих спіральних структур дослідники пропускали нитку ДНК через конусоподібну нанопору в солоному розчині з високим pH. Розчин сприяв створенню електроосмотичного потоку, внаслідок чого ДНК починала обертатися, заходячи в пору. Цей рух генерував достатньо сильне скручувальне зусилля, або крутний момент, що змушував ДНК утворювати спіралі, пояснив Кайзер. Його команда також застосувала електричну напругу до нанопори, щоб сприяти просуванню ДНК та вимірювати зміни в електричному струмі. «У таких нанорозмірних системах все відбувається з дуже великим тертям, тому ДНК рухається майже так, ніби вона пливе крізь мед, – зазначив Кайзер. – Це дуже в’язке середовище, тому відносно високі сили штовхають ДНК у цьому спіральному русі».
Вчені проаналізували тисячі таких подій. Хоча деякі вузли все ще з’являлися в експерименті, вони, як правило, були меншими — приблизно 140 нанометрів у поперечнику, тоді як плектонеми мали розмір близько 2100 нанометрів. Зі збільшенням напруги, прикладеної до системи, плектонеми ставали частішими через посилення крутного моменту.
Для подальшої перевірки того, як скручування впливає на поведінку ДНК, дослідники створили невеликі розриви, так звані ніки, в одній із ниток подвійної спіралі ДНК. Ці ніки дозволили ДНК легше обертатися та знімати накопичену напругу, що, своєю чергою, призвело до утворення меншої кількості плектонем. Це підтвердило, що торсіонний стрес є визначальним чинником у формуванні цих структур. «Коли ми контролювали здатність молекули до обертання, ми могли змінювати частоту появи плектонем», – додав Кайзер.
Хоча нанопори значно відрізняються від живих клітин, такі плектонеми можуть утворюватися під час природних процесів, таких як транскрипція ДНК та реплікація. Транскрипція описує процес, коли код ДНК копіюється іншою молекулою, рибонуклеїновою кислотою (РНК) – важливою молекулою для кодування, декодування та регуляції генів – і відправляється в клітину. Реплікація – це повне копіювання молекули ДНК, що відбувається, наприклад, при діленні клітини.
«Я вважаю, що торсія в молекулах може призводити до утворення i-мотивів та G-квадруплексів, – зазначив Кайзер, посилаючись на два специфічні типи незвичайних структур ДНК, які можуть впливати на регуляцію генів. – Отже, те, що вони виявили у своєму лабораторному дослідженні, ймовірно, має наслідки для живих клітин».
Ульріх Кайзер та його команда вже давно досліджують, як плектонеми та інші структури ДНК утворюються під час природних процесів, таких як транскрипція. У своїх попередніх працях вони вивчали вплив торсіонного стресу на реплікацію ДНК. Це дослідження підкреслює, що нанопори надають вченим можливість не тільки зчитувати ДНК, але й спостерігати за її поведінкою.
«Сам факт того, що молекула ДНК може протиснутися крізь пору, де її жорсткість має бути значно більшою за діаметр пори, є досить дивовижним, – розповів Live Science Славен Гарай, фізик із Національного університету Сінгапуру, який не брав участі в цьому дослідженні. – Вона в 10, 50, а то й у 100 разів жорсткіша за розмір пори. Проте вона згинається і проходить крізь неї».
Гарай висловив захоплення отриманими результатами. У майбутньому «ми, можливо, зможемо відокремити нанопорове скручування від скручування, яке вже було в ДНК раніше. Це дозволить нам по-новому досліджувати природне суперскручування», – додав він. Це матиме важливе значення для розуміння того, як ці спіралі та “вузли” контролюють активність генів.
