Визуализация и измерение узлов ДНК с помощью автоматизированной техники

от

В школе ДНК часто представляют в виде аккуратной двойной спирали, но учёные обнаруживают разнообразные и сложные формы молекул ДНК.

ДНК — это молекула, присутствующая практически в каждой живой клетке. Из-за своей длины молекула скручивается и запутывается. Ферменты в организме пытаются регулировать этот процесс, но когда это не удаётся, нормальная активность клетки может быть нарушена, что приводит к ухудшению здоровья и может быть фактором таких заболеваний, как рак и нейродегенеративные заболевания.

Для поиска лекарств от серьёзных болезней учёным необходимо понять сложную форму узлов ДНК. Существующие лабораторные методы позволяют им наносить на карту форму и структуру узлов ДНК, но это трудоёмко и занимает много времени.

Международная научная группа под руководством Университета Шеффилда в Великобритании автоматизировала этот процесс. Используя так называемый атомно-силовой микроскоп, передовое компьютерное программное обеспечение и искусственный интеллект, они могут визуализировать молекулы ДНК, отслеживать их пути и измерять их.

Статья «Количественная оценка сложности в структурах ДНК с помощью высокоразрешающей атомно-силовой микроскопии» опубликована в журнале Nature Communications.

Понимание изменений формы ДНК

Понимание того, как ДНК меняет форму, — область науки, известная как топология ДНК, — требует от исследователей проведения анализа на наноуровне, где нанометр составляет одну миллиардную часть метра.

Алиса Пайн, профессор биофизики в Университете Шеффилда, которая руководила исследованием, сказала: «Впервые мы смогли определить структуру отдельных сложных структур ДНК, обнаруженных в клетках, с нанометровой точностью. Мы сделали это, разработав передовые новые инструменты для анализа изображений, которые могут выполнять работу за считанные секунды, что раньше могло занять часы».

«Это позволит нам изучить, какие сложные структуры могут образовываться в клетке во время нормальных и аномальных клеточных процессов, таких как репликация ДНК, и понять их значение. Оттуда мы сможем начать изучать, как эти сложные топологии и структуры влияют на белки, взаимодействующие с геномом, например, на ключевые мишени антибиотиков и противоопухолевых препаратов, такие как топоизомеразы (фермент, который распутывает узлы в ДНК)».

Д-р Шон Колломс из Школы молекулярной биологии в Университете Глазго и соавтор исследования сказал: «ДНК — это действительно длинная молекула. Как и любой длинный кусок верёвки, ДНК в наших клетках запутывается и завязывается узлами. Если мы хотим изучить процессы в клетках, которые приводят к завязыванию узлов ДНК, а также действие топоизомераз по устранению узлов, нам нужно точно определить, как запутана ДНК».

«В каждом пересечении ДНК мы можем увидеть, какая часть ДНК проходит над другой, и это даже позволяет нам отличить один узел от его зеркального отражения, что важно для наших исследований».

Атомно-силовой микроскоп

Атомно-силовой микроскоп использует крошечный зонд для физического измерения объекта, находящегося на анализе, — в отличие от света или электронов, как в других типах микроскопов. Это различие делает его пригодным для наномасштабного анализа.

«Молекулярное моделирование помогает нам понять, как ДНК взаимодействует с поверхностями слюды в экспериментах с АСМ», — сказал Душан Ракко из Института полимеров Словацкой академии наук, который участвовал в исследовании.

«Разрабатывая передовые модели, мы можем генерировать тысячи молекулярных структур для обучения будущих ИИ — приближая нас к визуализации и пониманию топологии сложных сборок ДНК».

Исследование является кульминацией международного исследовательского сотрудничества с участием учёных из шести университетов и исследовательских институтов Великобритании, Словакии и Франции.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте