Различные формы ДНК, в том числе восьмерки, были получены с помощью мощной техники микроскопии исследователями из Медицинского колледжа Бейлора в США, а затем исследованы с помощью суперкомпьютерного моделирования, проведенного в Университете Лидса.Как сообщается сегодня в журнале Nature Communications, моделирование также демонстрирует динамическую природу ДНК, которая постоянно извивается и трансформируется в разные формы — это далеко от общепринятого представления о жесткой и статической структуре двойной спирали.
Улучшение нашего понимания того, как выглядит ДНК, когда она находится в клетке, поможет нам разработать лучшие лекарства, такие как новые антибиотики или более эффективные химиотерапевтические методы лечения рака.Доктор Сара Харрис из Школы физики и астрономии Университета Лидса, которая руководила исследованием компьютерного моделирования, сказала: «Это связано с тем, что действие молекул лекарств зависит от их распознавания определенной молекулярной формы — во многом как ключ подходит к конкретному замку ".Форма двойной спирали прочно вошла в коллективное сознание публики. Он упоминается в популярной культуре и часто используется в искусстве и дизайне.
Но форма ДНК не всегда так проста.Доктор Харрис сказал: «Когда Уотсон и Крик описали двойную спираль ДНК, они смотрели на крошечную часть реального генома, только на один виток двойной спирали.
Это около 12« пар оснований »ДНК, которые являются строением блоки ДНК, образующие ступеньки спиральной лестницы.«Наше исследование рассматривает ДНК в несколько большем масштабе — несколько сотен пар оснований — и даже это относительно небольшое увеличение размера раскрывает совершенно новое богатство в поведении молекулы ДНК».На самом деле существует около 3 миллиардов пар оснований, которые составляют полный набор инструкций ДНК человека. Это примерно метр ДНК.
Эта огромная цепочка молекулярной информации должна быть точно организована, плотно свернувшись в спираль, чтобы ее можно было втиснуть в ядро ??клетки.Чтобы изучить структуру ДНК, когда она втиснута в клетки, исследователям нужно было воспроизвести это свертывание ДНК.
Доктор Линн Зехидрих, автор-корреспондент исследования из Медицинского колледжа Бейлора, сказала: «Вы не можете скрутить линейную ДНК и изучить ее, поэтому нам пришлось нарисовать круги, чтобы концы улавливали разную степень намотки».Чтобы исследовать, как обмотка изменила внешний вид кругов, исследователи намотали, а затем раскрутили крошечные круги ДНК — в 10 миллионов раз короче ДНК, содержащейся в наших клетках — по одному витку за раз.
Исследователи разработали тест, чтобы убедиться, что крошечные скрученные круги ДНК, которые они создали в лаборатории, действуют так же, как полноразмерные нити ДНК в наших клетках, когда их называют «биологически активными».Они использовали фермент под названием «человеческая топоизомераза II альфа», который манипулирует поворотом ДНК.
Тест показал, что фермент снимает напряжение намотки со всех суперспиральных кругов, даже самых спиральных, что является его нормальной работой в организме человека. Этот результат означает, что ДНК в кругах должна выглядеть и действовать как гораздо более длинная ДНК, с которой фермент сталкивается в клетках человека.Доктор Россица Иробалиева, соавтор публикации, которая вела работу, когда она была в Бэйлоре, использовала криоэлектронную томографию — мощную технику микроскопии, которая включает в себя замораживание биологически активного материала — для получения первых трех результатов. объемные изображения отдельных кольцевых молекул ДНК. Она увидела, что свертывание крошечных кругов ДНК заставило их образовать зоопарк красивых и неожиданных форм.
«Некоторые из кругов имели резкие изгибы, некоторые имели форму восьмерки, а другие были похожи на наручники, ракетки или даже швейные иглы. Некоторые были похожи на стержни, потому что они были так свернуты», — сказала д-р Иробалиева.Затем статические изображения, полученные с помощью криоэлектронной томографии, сравнивались и сопоставлялись с формами, созданными в ходе моделирования на суперкомпьютере, которое проводилось в Университете Лидса.
Эти смоделированные изображения предоставили вид ДНК с более высоким разрешением и показали, как ее динамическое движение заставляет ее форму постоянно меняться, образуя множество структур.Криоэлектронная томография крошечных кругов ДНК также показала еще одно неожиданное открытие.Пары оснований в ДНК подобны генетическому алфавиту, в котором буквы на одной стороне двойной спирали ДНК соединяются только с определенной буквой на другой стороне.
В то время как исследователи ожидали увидеть открытие пар оснований — то есть разделение парных букв в генетическом алфавите — когда ДНК находилась под намоткой, они были удивлены, увидев это отверстие для намотанной ДНК. Это связано с тем, что чрезмерная намотка должна сделать двойную спираль ДНК более прочной.Исследователи предполагают, что это нарушение пар оснований может вызвать гибкие петли, позволяющие ДНК резко изгибаться, что, возможно, помогает объяснить, как метр ДНК может быть втиснут в одну человеческую клетку.
Доктор Харрис заключает: «Мы уверены, что суперкомпьютеры будут играть все более важную роль в разработке лекарств. Мы пытаемся собрать пазл из миллионов частей, и все они продолжают менять форму».
Видео: Суперкомпьютерное моделирование показывает, как динамическое движение суперспиральной ДНК заставляет ее форму постоянно меняться, образуя множество структур. https://drive.google.com/folderview?id=0B691WmQZab8LdTRNWlFKZHNvSDAusp=sharing Видео Кредит: Тана СуттхибутпонгПосмотрите, как исследователи объясняют сверхспиральную ДНК в пародии на Меган Трейнор «Все об этой базе» https://www.youtube.com/watch?v=gwy2lD1reos