Молекулы ДНК являются носителями генетической информации и образуют структуру двойной спирали в своей природной водной среде. Эта структура состоит из двух противоположно скрученных цепей нуклеотидов. Чередующееся расположение отрицательно заряженных фосфатных групп и полярных сахарных единиц формирует основу двойной спиральной структуры, которая напрямую взаимодействует с окружающими молекулами воды. Общий отрицательный заряд двойной спирали компенсируется положительно заряженными противоионами, такими как ионы натрия, которые в водной среде расположены в непосредственной близости от поверхности ДНК.
Взаимодействие электрических диполей молекул воды с зарядами противоионов и фосфатных групп, а также полярных единиц создает электрические поля на поверхности ДНК. Такие области обсуждаются весьма противоречиво, даже после десятилетий интенсивных исследований, отражающих структурную сложность этой системы многих тел и ее тепловые флуктуации в коротких временных масштабах.
Ученым из Института Макса Борна в Берлине впервые удалось определить силу, диапазон и сверхбыструю динамику электрических полей на поверхности нативной ДНК. В недавней статье, опубликованной в Journal of Physical Chemistry Letters, они сообщают о том, как колебания позвоночника местной ДНК лосося служат зондами для картирования электрических взаимодействий в пространстве и времени. Электрические поля на поверхности напрямую влияют на форму и динамику колебательных резонансов, которые регистрируются в реальном времени на фемтосекундной шкале времени (1 фс = 10-15) с методом, называемым двумерной инфракрасной спектроскопией.
Содержание воды в образцах ДНК систематически варьировалось, чтобы различить различные вклады в колеблющиеся электрические поля на поверхности ДНК.Параллельно проведенные эксперименты и подробный теоретический анализ показывают, что молекулы воды в первых двух слоях на поверхности ДНК создают чрезвычайно сильное электрическое поле, тогда как ионные группы и внешние слои воды играют второстепенную роль. Пространственный диапазон поля составляет примерно 1 нм, его напряженность достигает значений до 100 мегавольт / см (сотни миллионов вольт на сантиметр).
Тепловые движения молекул воды приводят к флуктуациям поля 25 МВ / см на шкале времени 300 фс. Временной масштаб колебаний демонстрирует затруднение движений воды из-за сцепления с гофрированной поверхностью ДНК и замедление по сравнению с чистой водой.
Это новое количественное понимание важно для понимания ключевой роли воды и ее динамики на биологических интерфейсах, таких как заряженные клеточные мембраны и поверхность белков.