• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
21.09.2021
ФизТех
1
1 282

Ученые узнали об аномальных конформационных состояниях молекул ДНК

4.4

Неожиданный вывод об аномальных конформационных состояниях молекул ДНК на поверхности заряженных мономолекулярных пленок и их фундаментальных отличиях от строго периодической конформации двойной спирали в объеме раствора сделан в работе, выполненной совместно учеными из РФ и США, пятеро из которых — выпускники МФТИ. Полученные результаты открывают перспективы исследований в новой области сильно возмущенных поверхностных конформаций ДНК со сложной и очень богатой физикой и нелинейной механикой в ответ на действие ранее не предполагавшихся огромных в молекулярном масштабе латеральных сил.

Ученые узнали об аномальных конформационных состояниях молекул ДНК / ©Getty images

Работа опубликована в NanoMicroLetters. Конформация полимера — это устойчивая конфигурация пространственного расположения атомов его цепи. Из нескольких конформаций молекулы наследственности ДНК наиболее известна так называемая В-форма — правозакрученная двойная спираль с шагом 3,4 нм и диаметром 2 нм, в которой плоскости азотистых оснований (А,Т,Г,Ц) перпендикулярны оси спирали и находятся на расстоянии стэкинга (~0,34 нм). Про ДНК также известно, что она — одна из самых жестких линейно-цепочечных полимеров.

Из-за большой изгибной жесткости механические свойства молекул ДНК для слабых и умеренных изгибных моментов хорошо интерпретируются в рамках простой механической модели червеобразной цепи (WLC модель). Эта модель рассматривает короткий сегмент ДНК как однородный изгибный стержень, подчиняющийся закону Гука, то есть с линейной зависимостью между приложенным внешним изгибным моментом и вызываемым им изгибом.

Справедливость WLC модели была подтверждена для огромного массива экспериментальных данных, полученных в объеме раствора in vivo и in vitro, и для них она давно стала канонической. С другой стороны, за последние два десятилетия получила развитие нелинейная механика ДНК, соответствующая области очень больших внешних сил. С этой целью используются микроманипуляции с единичными молекулами ДНК с помощью лазерных пинцетов (твизеров), за изобретение которых и их применение для изучения механических свойств биомолекул Артуру Эшкину была вручена Нобелевская премия в 2018 году.

Большая изгибная жесткость молекул ДНК обеспечивает большой латеральный размер двумерных конформаций при адсорбции на поверхность, который необходим для проведения микроскопических наблюдений с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). В методе АСМ поверхность образца сканируется острыми зондами с радиусом кривизны на конце ~10 нм, а минимальный размер визуализируемых деталей (пространственное разрешение) составляет нескольких нанометров.

Для наблюдения с помощью АСМ ДНК адсорбируется из раствора на атомарно-гладкие поверхности слюды или графита, покрытые пленками толщиной ~1 нм, образуемыми положительно заряженными веществами-модификаторами (ДНК имеет отрицательный заряд в растворе). До сих пор по умолчанию считалось, что адсорбция на такие поверхности приводит лишь к некоторой компрессии двойной спирали ДНК вертикально направленными силами притяжения, а конформация B-формы сохраняется интактной.

Такое рассмотрение игнорирует тангенциальные (направленные вдоль поверхности) электростатические силы, обусловленные неравномерностью распределения поверхностного заряда в положительно заряженных пленках-модификаторах (рис. 1a). Оно исходит из идеализированных представлений о равномерно заряженной поверхности, когда латеральные боковые силы по обе стороны от нити ДНК уравновешены (рис. 1b).

«Мы показали, что именно эти латеральные силы, упущенные из рассмотрения, оказывают сильнейшее влияние на структуру ДНК в наномасштабе. Они появляются из-за того, что положительно заряженные молекулы модификаторов сами по себе имеют линейный размер, превышающий диаметр ДНК, причем заряд сосредоточен на концах молекул. В молекулярном масштабе эти силы огромны и делают состояние ДНК внутренне сильно перенапряженным, что и приводит к многочисленным радикальным конформационным перестройкам.

Такая экстремальная структурная реорганизация оказывается совершенно неожиданной и контринтуитивной в рамках представлений о ДНК как жесткой полимерной цепи. Как следствие, конформация ДНК становится перенасыщенной структурными аномалиями, что фундаментально отличает ее от всех ранее изученных конформаций», — говорит Валерий Прохоров, один из соавторов работы, предложивший идею интерпретации.

До сих пор микроскопия молекул ДНК на поверхности сводилась к достаточно тривиальным измерениям размера их двумерных конформаций, из которых определялась и сравнивалась с полученными другими методами персистентная длина ДНК — единственный параметр WLC модели, количественно характеризующий гибкость полимерной цепи (персистентная длина линейно-цепочечного полимера соответствует длине сегмента полимерной цепи, приблизительно являющегося прямым в условиях постоянного изменения формы цепи из-за теплового движения; персистентная длина жестко-цепочечной ДНК равна ~50 нм и составляет величину ~1 нм для гибко-цепочечных полимеров типа полиэтилена). Измерения в наномасштабе считались малоинтересными.

Схема изгибных конформационных аномалий ДНК на поверхности. (a) Появление изгибности ДНК в наномасштабе за счет несбалансированности сил притяжения (разная длина красных стрелок) между ДНК и ближайшими поверхностными зарядами. Характерное расстояние между зарядами s больше, чем диаметр ДНК (s > dDNA). (b) Компенсация боковых латеральных сил на равномерно заряженной поверхности (s << dDNA). (c) АСМ изображения аномально изгибной ДНК на поверхности положительно заряженной пленки модификатора графита. (d) ДНК с плавными контурами на поверхности слюды. (e) Схема появления сверхкритической изгибности ДНК в наномасштабе за счет действия латеральных сил, обусловленных взаимодействием с одномерным периодическим распределением заряда в ламеллярном подслое двухслойной пленки модификатора. (f) Качественное различие слабо и умеренно изогнутых конформаций ДНК в объеме раствора и намотанной на нуклеосому, и кинковых ДНК конформаций на ламеллярных поверхностях с одномерно-периодическим распределением заряда / ©Валерий Прохоров

Феноменологически были выявлены два типа двумерных поверхностных конформаций (рис. 1 c, d). На поверхности слабо заряженной слюды (рис. 1d) ДНК имеет плавные контуры, что соответствует ожиданиям для жестко-цепочечного полимера. В более компактных, так называемых «проекционных» конформациях, наблюдающихся на поверхности пленок-модификаторов, дополнительно присутствуют многочисленные сильные локальные изгибы в масштабе ~10 нм (рис. 1c), неожиданные для жестко-цепочечной ДНК.

Мы обратили внимание на то, что эти изгибы имеют аномально большую кривизну, свидетельствующую о том, что эти участки являются кинками. Конформация кинка (излома), в котором нарушается непрерывность регулярной спиральной структуры ДНК за счет локального разрыва в стэкинге соседних оснований, была введена в рассмотрение автором модели двойной спирали Криком еще в 1974 году.

Неожиданный экспериментальный вывод о наличии большого количества кинков был подкреплен общефизическим анализом и конкретными расчетами в рамках модели, схематически показанной на рис. 1e. В предложенной модели ДНК электростатически взаимодействует с одномерно-периодически заряженным ламеллярным подслоем пленки вещества-модификатора, формирующимся на границе с графитом. Модель предсказывает появление сверхкритического (кинкового) изгибного момента в ДНК (τ>30pNnm) при малых углах между нею и ламелями (рис. 1e, правая часть).

Предложенная схема была расширена для включения в нее других (отличных от кинков) структурных аномалий, таких как глазки плавления, также наблюдавшихся на АСМ-изображениях и не имевших до сих пор разумного объяснения. При этом обнаруживается неожиданное перекрытие между механикой ДНК на поверхности, являющейся источником больших латеральных электростатических сил, и нелинейной механикой, в которой силы прилагаются к ДНК искусственно в микроманипуляциях с лазерными пинцетами. Полученные результаты открывают исследования в новой области сильно возмущенных поверхностных конформаций ДНК со сложной и очень богатой физикой и нелинейной механикой в ответ на действие ранее не предполагавшихся огромных в молекулярном масштабе латеральных сил.

Разработка этой области потребует больших усилий теоретиков, молекулярного моделирования и новых АСМ-измерений экстраразрешения, достаточного для визуализации отдельных нитей спиральной структуры ДНК. Качественные отличия в масштабе кинковых изгибов, для описания которых нужна нелинейная non-WLC механика, от изгибов ДНК, описывающихся стандартной WLC моделью, показаны на рис. 1f.

«Наша работа интересна еще и в другом контексте, — говорит Дмитрий Клинов, заведующий лабораторией медицинских нанотехнологий ФХМ ФМБА, доцент кафедры молекулярной и трансляционной медицины МФТИ, один из соавторов, впервые обративший внимание на неожиданные особенности АСМ-изображений ДНК на поверхности заряженных пленок. — Аномальные изгибы наблюдались на изображениях ДНК, полученных с достаточно хорошим разрешением, с самого начала использования АСМ для ее визуализации. Однако они не привлекали внимания исследователей и никак не комментировались.

Благодаря разработанным нами ранее АСМ-зондам высокого разрешения нам удалось наблюдать ДНК с минимальной регистрируемой шириной близкой к 3 нм, что позволило увеличить точность определения кривизны изгибных участков ДНК и, главное, понять, что она превосходит критическую, соответствующую порогу образования кинков. Сейчас выясняется, что целый ряд важных в фундаментальном смысле и сложных физических явлений был просмотрен из-за некритичного использования стереотипа жесткой полимерной цепи ДНК и неприемлемой идеализации свойств поверхности, считавшейся равномерно заряженной». Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Министерства образования и науки РФ. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
20 мая
Мария Азарова

Ученые предупреждают: поскольку вес современных комбайнов и прочей сельхозтехники сегодня приближается к весу самых крупных животных, когда-либо бродивших по Земле, возникает парадокс уплотнения грунта.

Вчера, 10:02
Сергей Васильев

Распространяясь в популяциях крупных жвачных животных, паразиты незаметно оказывают мощное влияние на целые экосистемы, позволяя растительности спокойно развиваться и процветать.

Позавчера, 12:13
Александр Березин

На планете уже зарегистрировано больше сотни случаев, подозрительно напоминающих обезьянью оспу — родственницу оспы натуральной. До 2022 года больные обезьяньей оспой заражались в основном от животных, а среди людей она быстро затухала, плохо передаваясь воздушно-капельным путем. Но в этом мае положение могло измениться. Дюжина стран на разных континентах показала одновременную вспышку заражений. Многие пытаются успокоить население, упирая на факт, что прививка от обычной оспы защищает и от новой. На самом деле, ситуация далеко не такая простая, и ВОЗ в эту пятницу провела чрезвычайную встречу экспертов для обсуждения этой болезни. Naked Science рассказывает, может ли оспа стать «сменщиком» коронавируса.

20 мая
Мария Азарова

Ученые предупреждают: поскольку вес современных комбайнов и прочей сельхозтехники сегодня приближается к весу самых крупных животных, когда-либо бродивших по Земле, возникает парадокс уплотнения грунта.

Вчера, 10:02
Сергей Васильев

Распространяясь в популяциях крупных жвачных животных, паразиты незаметно оказывают мощное влияние на целые экосистемы, позволяя растительности спокойно развиваться и процветать.

Позавчера, 12:13
Александр Березин

На планете уже зарегистрировано больше сотни случаев, подозрительно напоминающих обезьянью оспу — родственницу оспы натуральной. До 2022 года больные обезьяньей оспой заражались в основном от животных, а среди людей она быстро затухала, плохо передаваясь воздушно-капельным путем. Но в этом мае положение могло измениться. Дюжина стран на разных континентах показала одновременную вспышку заражений. Многие пытаются успокоить население, упирая на факт, что прививка от обычной оспы защищает и от новой. На самом деле, ситуация далеко не такая простая, и ВОЗ в эту пятницу провела чрезвычайную встречу экспертов для обсуждения этой болезни. Naked Science рассказывает, может ли оспа стать «сменщиком» коронавируса.

26 апреля
Василий Парфенов

Крупнейшие патентные ведомства мира десятилетиями или веками принципиально игнорируют любые конструкции, нарушающие начала термодинамики. С точки зрения здравого смысла это хорошо, но конспирологи и гении-самоучки считают иначе. По их мнению, такая политика стала результатом заговора (подставьте сюда любое вымышленное или не очень секретное общество либо лобби). Что ж, похоже, Роспатент встал на их сторону.

27 апреля
Александра Медведева

С помощью GPS-трекинга ученые проследили за перемещениями целой популяции домашних кошек в небольшом норвежском городке. Оказалось, питомцы редко уходят от дома далее 50 метров и почти не совершают длительных прогулок.

28 апреля
Мария Азарова

Авторы нового исследования составили таблицу ожидаемой продолжительностью жизни для собак 18 чистокровных пород и метисов. Кроме того, они узнали, кто живет дольше — суки или кобели, кастрированные или нет.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

-
1
+
Ни хе.а не понять... О чем речь, какое практическое значение имеет все казанное. Сплошное терминоблудие... Понял лишь, что конформация ДНК зависит от внешних факторов
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: