Каждый, кто был на парусной лодке, знает, что завязывание узла - лучший способ закрепить веревку на крюке и предотвратить ее соскальзывание. То же самое относится и к швейным ниткам, где вводятся узлы для предотвращения их проскальзывания через два куска ткани. Как же тогда длинные нити ДНК, которые имеют извилистую и сильно запутанную структуру, могут проходить через крошечные поры различных биологических систем? Это увлекательный вопрос, который задали Антонио Сума и Кристиан Мичелетти, исследователи из Международной школы перспективных исследований (SISSA) в Триесте, которые использовали компьютерное моделирование для изучения вариантов, доступных генетическому материалу в таких ситуациях. Исследование только что было опубликовано в PNAS.
"Наше вычислительное исследование проливает свет на последние экспериментальные открытия в области манипулирования ДНК с узлами и добавляет интересные и неожиданные элементы", - объясняет Мичелетти. «Мы впервые наблюдали, как завязанные нити ДНК проходят через крошечные поры диаметром около 10 нанометров (10 миллиардных долей метра). Поведение, наблюдаемое в наших симуляциях, хорошо согласовывалось с экспериментальными измерениями, полученными международной исследовательской группой под руководством Сеса Деккера., которые были опубликованы всего несколько месяцев назад в журнале Nature Biotechnology. Эти передовые и сложные эксперименты стали поворотным моментом в понимании образования узлов ДНК. Однако текущие эксперименты не могут «увидеть», как узлы ДНК на самом деле проходят через узкую пору». На самом деле это явление происходит в крошечном пространственном масштабе, а потому недоступном для микроскопов. Именно по этой причине наша группа прибегла к тому, что великий немецкий биофизик Клаус Шультен назвал «вычислительным микроскопом», то есть к компьютерному моделированию."
Сума и Мичелетти объясняют: «Моделирование показало, что прохождение узла может происходить двумя различными способами: один, когда узел тугой, а другой, когда узел более делокализован. В обоих случаях узел не только удается пройти через пору, но и делает это за очень короткое время». Причем узел обычно проходит на последних стадиях транслокации, когда уже прошла большая часть нити ДНК. «Но есть еще кое-что, что противоречит здравому смыслу, - заявляют авторы, - размер узла, будь он маленьким или большим, по-видимому, не сильно влияет на время закупорки поры. Последнее вместо этого зависит от скорости перемещения, которая в оборот, зависит от начального положения узла вдоль нити». Эти результаты, по словам исследователей, должны помочь в планировании будущих экспериментов по изучению спонтанного образования узлов ДНК, до сих пор в значительной степени неизученной области, особенно в отношении размера узлов ДНК.
Улучшение нашего нынешнего понимания узлов в биологических молекулах важно для выяснения их значения в биологическом контексте, а также в прикладных, таких как секвенирование ДНК с использованием нанопор. Сума и Мичелетти надеются, что многообещающие направления, предложенные их исследованием, могут привести к более детальному и точному профилированию запутывания в ДНК, РНК и белках..