Адрес e-mail:

Аномальные конформации ДНК на поверхности

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 являются выпускниками МФТИ. Работа опубликована в NanoMicroLetters.

Конформация полимера  — устойчивая конфигурация пространственного расположения атомов его цепи. Про ДНК известно, что она является одним 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). Данная 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. 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). 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. 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). 



Схематика 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. Иллюстрация предоставлена Валерием Прохоровым.

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.  Измерения в наномасштабе считались малоинтересными. 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. Исследователи 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 экстра-разрешения, 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.

Подробнее: "За науку".

Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

© 2001-2021 Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Противодействие коррупции | Сведения о доходах

Политика обработки персональных данных МФТИ

Техподдержка сайта | API

Использование новостных материалов сайта возможно только при наличии активной ссылки на https://mipt.ru

МФТИ в социальных сетях