«Есть и другие инструменты на основе одной молекулы, но наш новый инструмент гораздо более чувствителен», — сказал старший автор и профессор физики Университета штата Вашингтон Йенс Гундлах. «Мы действительно можем уловить движения атомного масштаба, которые белок передает ДНК».Как это часто бывает в научном процессе, они разработали этот инструмент — пинцет для нанопор с разрешением одной молекулы пикометра или SPRNT — во время работы над связанным проектом. Команда UW изучает технологию нанопор для быстрого считывания последовательностей ДНК.
Наши гены — это длинные отрезки молекул ДНК, состоящие из комбинаций четырех химических «букв» ДНК. В своем подходе Гундлах и его команда измеряют электрический ток через биологическую пору под названием MspA, которая встроена в модифицированную клеточную мембрану. Когда ДНК проходит через крошечное отверстие в поре — отверстие шириной всего 0,00000012 сантиметра, или 1/10 000 ширины человеческого волоса, — ток меняется в зависимости от последовательности букв ДНК.
Они используют эти изменения тока, чтобы сделать вывод о последовательностях ДНК.Гундлах и его команда в процессе исследования секвенирования нанопор опробовали различные молекулярные двигатели для перемещения ДНК через поры.
Они обнаружили, что их экспериментальная установка была достаточно чувствительной, чтобы наблюдать движения, намного меньшие, чем расстояние между соседними буквами на ДНК. Как они сообщают в своей статье, SPRNT более чем в семь раз более чувствителен, чем существующие методы измерения взаимодействий между ДНК и белками.«Как правило, большинство существующих методов изучения движений отдельных молекул, таких как оптический пинцет, имеют разрешение в лучшем случае около 300 пикометров», — сказал Гундлах. «С SPRNT мы можем иметь разрешение 40 пикометров».Для справки, 40 пикометров равны 0,000000004 сантиметра или примерно 0,0000000016 дюйма.
«Мы поняли, что можем обнаружить мельчайшие различия в положении ДНК в поре», — сказал соавтор статьи, постдокторский исследователь физики UW Эндрю Ласло. «Мы смогли уловить различия в том, как белки связывались с ДНК и перемещали ее через поры».Эти различия объясняют уникальную роль, которую играет каждый клеточный белок при взаимодействии с ДНК.
В клетках есть белки для копирования ДНК, «считывания» ДНК для экспрессии генов и восстановления ДНК при ее повреждении. Есть клеточные белки, которые раскручивают ДНК, а другие плотно связывают ДНК. Биологи давно осознали, что белки имеют разные структуры для выполнения этих функций, но физическое движение белков, когда они работают с ДНК, было трудно обнаружить напрямую.
«Когда у вас есть разрешение, которое предлагает SPRNT, вы можете начать выделять мельчайшие шаги, которые делают эти белки», — сказал Ласло.Гундлах и его команда показывают, что SPRNT достаточно чувствителен, чтобы различать механизмы, которые используют два клеточных белка для прохождения ДНК через отверстие нанопоры.
Один белок, который обычно копирует ДНК, перемещается по ДНК по одной букве за раз, проводя ДНК через поры. Второй белок, который обычно раскручивает ДНК, вместо этого делает два шага по каждой букве ДНК, которые они могли бы уловить, отслеживая мельчайшие изменения тока, по словам соавтора и докторанта физики Университета штата Вашингтон Джонатана Крейга. Они даже обнаружили, что эти два шага включают последовательные химические процессы, которые белок использует для прохождения ДНК.«Вы действительно можете увидеть лежащие в основе механизмы, и это имеет множество последствий — от понимания того, как устроена жизнь, до разработки лекарств», — сказал Ласло.
Гундлах считает, что этот инструмент может открыть новое окно для понимания того, как клеточные белки обрабатывают ДНК, что может помочь генетически сконструировать белки для выполнения новых задач. Эти мелкие детали могут также помочь ученым понять, как мутации в белках могут привести к заболеваниям, или найти свойства белков, которые могут быть идеальными мишенями для лекарственной терапии.
«Например, вирусные гены кодируют свои собственные белки, которые обрабатывают их ДНК», — сказал Гундлах. «Если мы сможем использовать SPRNT для скрининга лекарств, которые конкретно нарушают функционирование этих белков, возможно, будет возможно вмешиваться в вирус».