Новое исследование, проведённое под руководством учёных из Кембриджского университета в сотрудничестве с международными институтами, раскрыло ключевой механизм поведения ДНК при прохождении через наноразмерные поры. Этот процесс имеет центральное значение для многих биологических функций и развивающихся технологий обнаружения ДНК. Исследование проливает новый свет на структурного «скрытого игрока» — плектóнемы, которые долгое время оставались незамеченными исследователями и могут изменить подходы в биосенсорных и геномных технологиях.
Десятилетия заблуждений
В течение десятилетий учёные полагали, что при прохождении ДНК через нанопоры — мощный метод анализа генетического материала — сложные электрические сигналы указывают на образование узлов. Это было похоже на продевание шнурка в маленькое отверстие: если шнурок запутывается, движение становится нерегулярным. Исследователи предполагали, что то же самое происходит и с ДНК, и что любая сложность сигнала обусловлена образованием узлов при прохождении через пору.
Новые открытия
Однако новые результаты, опубликованные в Physical Review X, показывают, что ДНК не просто завязывается в узлы (как запутанный шнурок) из-за нарушений в электрическом сигнале при прохождении через пору. Вместо этого исследователи обнаружили, что эти предполагаемые узлы часто являются плектóнемами — структурами, где ДНК закручивается вокруг себя, подобно перекрученному телефонному кабелю, а не завязывается в настоящий узел.
Ведущий автор исследования доктор Фэй Чжэн из лаборатории Кавендиша объяснил: «Наши эксперименты показали, что при протягивании ДНК через нанопору ионный поток внутри закручивает нить, накапливая крутящий момент и накручивая её в плектóнемы, а не только в узлы. Эта „скрытая“ структура скручивания имеет отличительный, долговременный отпечаток в электрическом сигнале, в отличие от более преходящего признака узлов».
Учёные использовали стеклянные и кремниевые нанопоры для анализа ДНК при различных напряжениях и экспериментальных условиях. Они обнаружили, что «запутанные» события — случаи, когда несколько нитей ДНК одновременно занимали пору — были слишком частыми, чтобы их можно было объяснить только равновесным образованием узлов. Вместо этого избыток этих событий увеличивался с напряжением и длиной ДНК, намекая на неизвестный механизм.
Электроосмотический поток
Исследователи обнаружили, что эти скручивания обусловлены электроосмотическим потоком — движением воды внутри нанопоры, которое создаёт крутящий момент на спиральной молекуле ДНК. Когда нить вращается, этот крутящий момент передаётся участкам ДНК за пределами поры, заставляя их скручиваться. В отличие от узлов, которые затягиваются под действием тянущих сил и имеют тенденцию быть кратковременными, плектóнемы могут увеличиваться в размерах и сохраняться на протяжении всего процесса транслокации.
Для дальнейшего изучения исследователи смоделировали ДНК при реалистичных силах и крутящих моментах. Моделирование подтвердило, что плектóнемы образуются под действием скручивающего движения, создаваемого электроосмотическим потоком нанопоры, и что их образование зависит от способности ДНК распространять скручивание по своей длине.
В ходе исследования учёные создали «надрезанные» молекулы ДНК, прерванные через равные промежутки времени, что блокировало распространение скручивания и резко снизило образование плектóнемов в экспериментах. Это не только подтвердило роль структуры, но и указало на потенциальные новые способы обнаружения или даже диагностики повреждений ДНК с помощью нанопор.
«Что действительно важно здесь, так это то, что мы теперь можем различать узлы и плектóнемы в сигнале нанопоры по тому, как долго они сохраняются», — говорит профессор Ульрих Ф. Кейзер, соавтор статьи. «Узлы проходят быстро, как быстрое столкновение, тогда как плектóнемы задерживаются и создают расширенные сигналы. Это открывает путь к более богатым и детализированным показаниям организации ДНК, целостности генома и, возможно, повреждений».
Перспективы
В биофизике эти результаты могут углубить наше понимание запутывания ДНК внутри клеток, где плектóнемы и узлы регулярно возникают под действием ферментов, играя решающую роль в организации генома и стабильности. Для биосенсоров и диагностики способность контролировать или обнаруживать эти скрученные структуры может открыть дверь к новому поколению биосенсоров, которые будут более чувствительны к тонким изменениям ДНК, потенциально позволяя раннее обнаружение повреждений ДНК при заболеваниях.
«С точки зрения нанотехнологий исследование подчёркивает возможности нанопор не только как сложных датчиков, но и как инструментов для манипулирования биополимерами новыми способами», — заключил Кейзер.
Предоставлено Кембриджским университетом.