Исследователи из Йоркского и Шеффилдского университетов (Великобритания) раскрыли давнюю загадку молекулярной биологии: как две молекулы ДНК преодолевают взаимное отталкивание. Из базового курса физики известно, что одноименные электрические заряды отталкиваются. Поскольку каждая нить ДНК несет сильный отрицательный заряд, соседние спирали при сближении должны расходиться в стороны. Однако внутри живой клетки молекулы регулярно подходят друг к другу вплотную и сцепляются — это необходимо для починки сломанных генов, проверки генетического кода на ошибки и правильного деления клеток. Ученым впервые удалось напрямую зафиксировать и описать точный механизм этого сближения. Результаты исследования авторы опубликовали в журнале Nucleic Acids Research.
Этот парадокс удалось разгадать с помощью атомно-силовой микроскопии (сверхточного «ощупывания» поверхности наноиглой) и компьютерного моделирования. Эксперименты подтвердили теоретическую модель «ДНК-молнии», предложенную около 20 лет назад физиком Алексеем Корнышевым из Имперского колледжа Лондона. Оказалось, что ключевую роль играют растворенные в клеточной среде ионы металлов (например, магния или кальция), имеющие двойной положительный заряд.
Положительные ионы оседают в естественных спиральных желобках ДНК и работают как двухсторонние электрические мостики. Каждый такой ион одновременно притягивает к себе стенки обеих молекул, компенсируя их взаимное отталкивание. В результате две длинные спирали идеально состыковываются бороздка к бороздке — подобно тому, как переплетаются зубья двух вращающихся шестерен или как застегивается обыкновенная молния.
Исследователи также заметили, что ДНК «застегивается» не везде одинаково. На некоторых участках химические элементы ДНК формируют зоны со сверхпрочным сцеплением, а на других — связываются заметно слабее. Это открытие поможет генетикам находить точки в геноме, где ошибки при стыковке ДНК приводят к опасным мутациям и развитию рака.