Формирование плектонемы происходит за счет кручения. Автор: Фэй Чжэн, Кавендишская лаборатория
Ученые из Кембриджского университета совместно с международными коллегами определили важнейший процесс, который определяет поведение ДНК при ее прохождении через наноразмерные поры. Этот процесс является фундаментальным для многих биологических процессов и для быстро развивающихся технологий распознавания ДНК. Исследование выявило структуру ДНК, называемую плектонемами, которая долгое время оставалась незамеченной, и это открытие может повлиять на будущие достижения в области геномики и биосенсорики.
Нанопоры — это чрезвычайно маленькие отверстия, через которые проходят отдельные нити ДНК, генерируя электрические сигналы. Эти сигналы помогают исследователям детально анализировать генетический материал. До сих пор важные особенности этих сигналов не были поняты должным образом.
Почему ученые думали, что ДНК образует узлы
В течение многих лет исследователи полагали, что сложные электрические структуры, наблюдаемые во время экспериментов с нанопорами, вызваны образованием узлов ДНК. Идею было легко представить. Протягивание шнурка через узкое отверстие становится неравномерным, если шнурок запутывается, и ученые предположили, что ДНК ведет себя таким же образом. Считалось, что любой нерегулярный сигнал означает, что нить скручивается при прохождении через поры.
Это объяснение на протяжении десятилетий определяло интерпретацию данных о нанопорах.
Сигналы объясняются изгибами, а не узлами
Новое исследование, опубликованное в Physical Review X, показывает, что это давнее предположение часто было ошибочным. Вместо того, чтобы образовывать настоящие узлы, ДНК часто скручивается вокруг себя во время перемещения нанопор. Эти скрученные структуры, известные как плектонемы, напоминают скорее свернутый телефонный шнур, чем завязанный узел.
Это различие важно, потому что скручивания и узлы влияют на электрические сигналы совершенно по-разному.
«Наши эксперименты показали, что когда ДНК протягивается через нанопору, ионный поток внутри нее скручивает нить, накапливая крутящий момент и наматывая ее в виде сплетений, а не просто узлов. Эта «скрытая» извилистая структура обладает характерным, долговечным отпечатком в электрическом сигнале, в отличие от более мимолетных признаков узлов», — пояснил ведущий автор исследования доктор Фей Чжэн (Fei Zheng) из Кавендишской лаборатории.
Эксперименты указывают на отсутствующий механизм
Чтобы прийти к такому выводу, исследователи протестировали ДНК, используя нанопоры как из стекла, так и из нитрида кремния, в широком диапазоне напряжений и условий. Они заметили, что так называемые «запутанные» события, когда в поре одновременно находится более одного участка ДНК, происходят гораздо чаще, чем может объяснить теория узлов.
Эти события становились еще более частыми по мере увеличения напряжения и удлинения нитей ДНК. Эта закономерность наводит на мысль о том, что здесь задействована другая сила.
Как текущая вода скручивает ДНК
Команда обнаружила, что скручивание происходит в результате электроосмотического потока — движения воды под действием электрических полей внутри нанопор. Когда вода проходит мимо ДНК, она оказывает вращательное действие на спиралевидную молекулу. Этот крутящий момент распространяется вдоль нити, в результате чего участки за пределами поры сворачиваются в клубки.
В отличие от узлов, которые затягиваются под действием растягивающих усилий и обычно быстро исчезают, плектонемы могут увеличиваться в размерах и оставаться на протяжении всего процесса перемещения. Компьютерное моделирование, в котором применялись реалистичные силы и крутящие моменты, подтвердило это поведение и показало, что формирование плектонемы зависит от способности ДНК передавать скручивание по всей длине.
Блокирование скручиваний подтверждает открытие
Чтобы продолжить проверку этой идеи, исследователи создали ДНК с «зазубринами» — нитями, которые были прерваны в определенных точках. Эти прерывания предотвратили распространение скручивания по молекуле и резко сократили образование плектонем во время экспериментов.
Этот результат подтвердил, что распространение скручивания имеет важное значение для процесса. Это также указывает на новые способы использования нанопор для обнаружения повреждений ДНК, поскольку разрывы в цепочке препятствуют скручиванию.
Считывание сигналов ДНК с новой точностью
«Что действительно важно, так это то, что теперь мы можем различать узлы и плектонемы в сигнале от нанопор, основываясь на том, как долго они сохраняются», — говорит профессор Ульрих Ф. Кейзер, также из Кавендишской лаборатории и соавтор исследования.
«Узлы проходят быстро, как при резком ударе, в то время как плектонемы задерживаются и создают расширенные сигналы. Это открывает путь к более богатому и детальному анализу организации ДНК, целостности генома и, возможно, повреждений».
Более широкие возможности для биологии и технологии
Полученные результаты выходят за рамки обнаружения нанопор. В живых клетках ДНК регулярно скручивается и спутывается под воздействием ферментов, и как узлы, так и плектонемы играют важную роль в организации и стабильности генома. Понимание того, как формируются эти структуры, может улучшить модели поведения клеточной ДНК.
Для диагностики и биосенсорики способность обнаруживать или контролировать перекручивание ДНК может привести к созданию более чувствительных инструментов, способных выявлять тонкие генетические изменения и ранние признаки повреждения ДНК, связанного с болезнью.
«С точки зрения нанотехнологий, исследование подчеркивает возможности нанопор не только как сложных сенсоров, но и как инструментов для манипулирования биополимерами новыми способами», — заключил Кейзер.