Фізики навчилися рухати вузли по молекулі ДНК

Американські біофізики навчилися керувати рухом вузлів по одиночній молекулі ДНК за допомогою розтягуючого полімер електричного поля. При правильному підборі параметрів розтягнення молекули можна контрольовано переміщати вузол по молекулі довжиною в кілька мікрометрів приблизно за хвилину, пишуть вчені в.

Практично на всіх довгих полімерних молекулах, включаючи молекули ДНК, можна зустріти вузли. Вони з'являються на молекулі природним чином, при цьому їх кількість може залежати від типу молекули і наявності в клітині допоміжних з'єднань. Наприклад, у ссавців за зав'язування і розв'язування вузликів на молекулах ДНК відповідають деякі ферменти з класу топоізомераз. Оскільки наявність вузлів на молекулі ДНК може призводити до помилок у процесі реплікації або транскрипції, то їх можна використовувати як одного з регуляторів швидкості і механізмів аналізу. А наприклад, при нанопоровому секвенуванні наявність вузлів служить одним з факторів, що уповільнюють процес проходження молекули через пору, що дозволяє підвищити дозвіл методу.

Американські біофізики з Массачусетського технологічного інституту під керівництвом Патріка Дойла (Patrick S. Doyle) виявили, що якщо молекула ДНК знаходиться в розтягнутому стані, то вузол по ній можна контрольовано рухати. Цей ефект вчені помітили, помістивши молекулу із зав'язаним на ній вузлом в мікрофлюїдний пристрій, в якому канали з'єднувалися під прямим кутом, утворюючи Т-подібний стик. На цьому стику за допомогою електричного поля (лінії напруженості якого були спрямовані вздовж каналу) можна зафіксувати і розтягнути полімер. Для цього центр молекули поміщається в точку з нульовим полем, розташовану в центрі стику, а її кінці за рахунок електрофорезу тягнуться полем у протилежних напрямках, що і витягує всю структуру вздовж стінки каналу.

За станом підфарбованої молекули довжиною близько 80 мікрометрів вчені стежили за допомогою флуоресцентної оптичної мікроскопії. На молекулі розташовувався один простий вузол, який можна було чітко бачити на мікроображеннях. Виявилося, що електричне поле в мікроканалі не тільки розтягує ДНК, але і призводить до руху вузла вздовж полімеру від центру до краю. При цьому, як тільки вузол досягає кінця ланцюжка, він розв'язується.

Вчені відзначають, що описати рухливість вузла тільки дією електростатичного поля неможливо, тому для пояснення нелінійної залежності його координати від часу автори роботи розглянули баланс між броунівським рухом і градієнтом швидкості.

Через особливості закріплення молекули в такій «розтягувальній пастці» вздовж її довжини змінюється швидкість рідини, створюючи аналог зрушення потоку з нульовою швидкістю посередині молекули. Тому рухливість вузла на молекулі характеризується числом Вайсенберга - ставленням між часом релаксації і градієнтом сили: якщо максимальна розтягувальна сила досить велика в порівнянні з силою броунівської дифузії, то вузол рухається поступально у відомому напрямку, а в разі переважання броунівського руху його рух носить виражений дифузійний характер.

Виявилося, що при збільшенні числа Вайсенберга рух вузла сповільнюється. Оптимальний діапазон це параметра (коли молекулу можна розтягнути, щоб вона не прагнула згорнутися в спіраль, але вузол при цьому по ній контрольовано і досить швидко рухається) становить приблизно від 0,9 до 1,5. Отримані кількісні експериментальні дані біофізики також підтвердили за допомогою комп'ютерного моделювання вузлів декількох різних топологій.

Автори роботи зазначають, що запропонований ними метод допоможе швидко позбуватися тих вузлів, які заважають проведенню експериментів, а також контрольовано переміщати по ДНК ті вузли, які використовуються в корисних цілях.

Якщо в лінійних полімерних молекулах вузол досить легко розв'язати, просто перемістивши його на край молекули, то в разі виникнення вузла в замкнутому полімерному ланцюжку, від нього вже не позбутися. Найскладніша з таких штучно синтезованих зав'язаних вузлових молекул складається з 192 атомів і включає 8 перехрещувань. Подібні молекули з топологічним зв'язком роблять і з молекул ДНК: наприклад недавно одну з подібних структур перетворили на наномотор, який синтезує РНК і стрибає по поверхні.