Рибонуклеиновая кислота (РНК) играет ключевую роль в биохимических процессах, протекающих на клеточном уровне в водной среде. Механизмы и динамика взаимодействия между РНК и водой теперь были выявлены с помощью колебательной спектроскопии в сверхкоротких временных масштабах и проанализированы с помощью углубленной теории.
Рибонуклеиновая кислота (РНК) представляет собой элементарную составную часть биологических клеток. В то время как дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) служит носителем генетической информации, РНК обладает гораздо более сложной биохимической функциональностью. Это включает передачу информации в форме мРНК, РНК-опосредованную каталитическую функцию в рибосомах и кодирование генетической информации в вирусах. РНК состоит из последовательности молекул органических азотистых оснований, которые удерживаются вместе так называемым остовом, состоящим из фосфатных и сахарных групп. Такая последовательность может существовать в виде одиночной цепи или в виде парной двойной спирали. Обе формы заключены в водную оболочку, а их фосфатная и сахарная группы являются отдельными точками стыковки молекул воды. Структура водной оболочки колеблется в масштабе времени нескольких десятых пикосекунды (1 пс=10-12 с=1 миллионная миллионной доли секунды). Взаимодействия РНК и воды и их роль в формировании трехмерных структур РНК недостаточно изучены и труднодоступны для экспериментов.
Ученые из Института Макса Борна теперь наблюдали за взаимодействием РНК с ее водной оболочкой в режиме реального времени. В их новом экспериментальном методе колебания остова РНК служат чувствительными неинвазивными зондами влияния соседних молекул воды на структуру и динамику РНК. Так называемая двумерная инфракрасная спектроскопия позволяет картировать временную эволюцию колебательных возбуждений и определять молекулярные взаимодействия внутри РНК и между РНК и водой. Результаты показывают, что молекулы воды на поверхности РНК совершают опрокидывающие движения, так называемые либрации, в течение долей пикосекунды, тогда как их локальное пространственное расположение сохраняется в течение времени, превышающего 10 пс. Это поведение сильно отличается от поведения чистой воды и определяется стерическими граничными условиями, установленными поверхностью РНК. Отдельные молекулы воды соединяют соседние фосфатные группы и образуют частично упорядоченную структуру, опосредованную их соединением с единицами сахара.
Либрирующие молекулы воды генерируют электрическую силу, с помощью которой колебания воды передаются колебаниям РНК. Различные колебания позвоночника демонстрируют разнообразное динамическое поведение, которое определяется их локальной водной средой и отражает ее неоднородность. Колебания РНК также взаимно сопряжены и обмениваются энергией между собой и с водной оболочкой. Возникающее в результате сверхбыстрое перераспределение избыточной энергии необходимо для предотвращения локального перегрева чувствительной макромолекулярной структуры. Этот сложный сценарий был проанализирован с помощью подробных теоретических расчетов и моделирования, которые, среди прочих результатов, позволили впервые провести полную и количественную идентификацию различных колебаний остова РНК. Сравнительные эксперименты с ДНК выявляют сходство и характерные различия между этими двумя элементарными биомолекулами, демонстрируя более структурированное расположение воды вокруг РНК. Исследование подчеркивает большой потенциал неинвазивной колебательной спектроскопии с временным разрешением для раскрытия взаимодействия структуры и динамики в сложных биомолекулярных системах в масштабах молекулярной длины и времени..