Как и любая длинная полимерная цепь, ДНК имеет тенденцию образовывать узлы. Используя технологию, которая позволяет им растягивать молекулы ДНК и отображать поведение этих узлов, исследователи Массачусетского технологического института впервые обнаружили факторы, определяющие, движется ли узел вдоль цепи или «застревает» на месте.
«Люди, изучающие физику полимеров, предположили, что узлы могут заклинивать, но не было хороших модельных систем для проверки этого», - говорит Патрик Дойл, Роберт Т. Хаслам, профессор химического машиностроения и старший автор исследования. «Мы показали, что один и тот же узел может превратиться из зажатого в подвижный вдоль одной и той же молекулы. Вы меняете условия, и он внезапно останавливается, а затем снова меняете их, и он внезапно начинает двигаться».
Выводы могут помочь исследователям разработать способы развязывания узлов ДНК, что поможет повысить точность некоторых технологий секвенирования генома или способствовать образованию узлов. Исследователи говорят, что образование узлов может улучшить некоторые типы секвенирования за счет замедления прохождения молекул ДНК через систему.
Постдок Массачусетского технологического института Александр Клотц является первым автором статьи, опубликованной в выпуске Physical Review Letters от 3 мая.
Узлы в движении
Дойл и его ученики много лет изучают физику полимерных узлов, таких как ДНК. ДНК хорошо подходит для таких исследований, потому что это относительно большая молекула, которую легко визуализировать с помощью микроскопа, и ее можно легко заставить образовывать узлы.
«У нас есть механизм, который заставляет молекулы ДНК схлопываться в крошечный шарик, который, когда мы растягиваемся, содержит очень большие узлы», - говорит Клотц. «Это как засунуть наушники в карман и вытащить их, полные узлов».
После образования узлов исследователи могут изучать их с помощью разработанной ими специальной микрожидкостной системы. Канал имеет форму буквы Т, электрическое поле которого расходится в верхней части буквы Т. Молекула ДНК, расположенная в верхней части буквы Т, будет одинаково притягиваться к каждому плечу, заставляя ее оставаться на месте.
Команда Массачусетского технологического института обнаружила, что они могут манипулировать узлами в этих прикрепленных молекулах ДНК, изменяя силу электрического поля. Когда поле слабое, узлы имеют тенденцию двигаться вдоль молекулы к ближнему концу. Когда они достигают конца, они распутываются.
Когда напряжение не слишком сильное, кажется, что они двигаются хаотично. Но если вы наблюдаете за ними достаточно долго, они имеют тенденцию двигаться в одном направлении, к ближайшему концу молекулы, - говорит Клотц.
Когда поле становится сильнее, заставляя ДНК полностью растягиваться, узлы застревают на месте. Исследователи говорят, что это явление похоже на то, что происходит с узлом в колье из бус, когда ожерелье затягивается сильнее. Когда ожерелье ослаблено, по нему может двигаться узел, но когда его туго натягивают, бусины ожерелья сближаются, и узел застревает.
«Когда вы затягиваете узел, сильнее растягивая молекулу ДНК, нити сближаются друг с другом, и это увеличивает трение», - говорит Клотц. «Это может подавить движущую силу, вызванную электрическим полем».
Удаление узлов
Узлы ДНК также встречаются в живых клетках, но в клетках есть специальные ферменты, называемые топоизомеразами, которые могут распутывать такие узлы. Выводы группы Массачусетского технологического института предлагают возможный способ относительно легкого удаления узлов из ДНК за пределами клеток путем приложения электрического поля до тех пор, пока узлы не дойдут до конца молекулы.
Это может быть полезно для секвенирования ДНК, известного как картирование наноканалов, когда ДНК растягивается вдоль узкой трубки и измеряется расстояние между двумя генетическими последовательностями. Этот метод используется для выявления крупномасштабных изменений генома, таких как дупликация генов или перемещение генов из одной хромосомы в другую, но узлы в ДНК могут затруднить получение точных данных.
Для другого типа секвенирования ДНК, известного как секвенирование нанопор, может быть полезно индуцировать узлы в ДНК, потому что узлы замедляют движение молекул по мере их прохождения через секвенатор. Это может помочь исследователям получить более точную информацию о последовательности.
Использование этого подхода для удаления узлов из других типов полимеров, таких как те, которые используются для производства пластмасс, также может быть полезным, поскольку узлы могут ослабить материалы.
В настоящее время исследователи изучают другие явления, связанные с узлами, в том числе процесс развязывания более сложных узлов, чем те, которые они изучали в этой статье, а также взаимодействия между двумя узлами в молекуле.
Исследование финансировалось Национальным научным фондом и Национальным исследовательским фондом Сингапура через Сингапурский альянс исследований и технологий Массачусетского технологического института.