Учёные обнаружили, что при продавливании сквозь нанопоры ДНК ведёт себя удивительным образом, переворачивая давнее представление, бытовавшее в генетических исследованиях. То, что учёные некогда считали узлами, вызывающими искажение электрических сигналов, оказалось абсолютно иным явлением: перекрученными спиралями под названием плектонемы, образуемыми, когда поток ионов внутри поры закручивает ДНК подобно телефонному проводу. Эти перекручивания могут сохраняться и преумножаться при продвижении ДНК, оставляя явные электрические «отпечатки пальцев».
Учёные из Кембриджского университета в сотрудничестве с международными коллегами обнаружили ключевой процесс, в котором формируется поведение ДНК во время её прохождения сквозь наномасштабные поры. Этот процесс фундаментален во многих биологических процессах, а также в быстро развивающихся технологиях обнаружения ДНК. Это исследование указывает на долгое время остававшиеся незамеченными структуры ДНК под названием плектонемы, и это открытие может повлиять на дальнейшее развитие геномики и технологии обнаружения ДНК.
Нанопоры — это отверстия исключительно маленького размера, позволяющие пропускать отдельные нити ДНК, образуя электрические сигналы. Эти сигналы помогают исследователям детально проанализировать генетический материал. До сих пор важные свойства этих сигналов интерпретировались неверно.
Почему учёные считали, что ДНК образует узлы
В течение долгих лет учёные полагали, что сложные электрические конфигурации, наблюдаемые в ходе проведения экспериментов с нанопорами, были вызваны тем, что ДНК образует узлы. Эту мысль было легко представить себе в виде картинки. Если шнурок от ботинка протягивать через узкое отверстие, такое протягивание будет неравномерным, если шнурок запутан, и учёные предполагали, что ДНК ведёт себя подобным образом. Считали, что любой необычный сигнал означает, что нить запуталась при проходе через отверстие.
Такое объяснение сформировало то, каким образом данные по нанопорам интерпретировались в течении десятилетий.
Сигналы объяснили не узлы, а перевития
В новом исследовании, опубликованном в Physical Review X, показано, что это давнее предположение зачастую было неверным. Вместо того, чтобы образовывать настоящие узлы, ДНК часто закручивается вокруг себя во время прохода через нанопору. Эти перекрученные структуры под названием плектонемы скорее напоминают спиралевидный телефонный провод, а не затянутый узел.
Эта разница важна, так как перекручивания и узлы влияют на электрические сигналы очень разными способами.
«Наши эксперименты показали, что во время протягивания ДНК через нанопору поток ионов внутри неё изгибает нить, накапливая крутящий момент и скручивая её в плектонемы, а не просто в узлы. Эта "скрытая" скрученная структура обладает своеобразным долговременным "отпечатком пальца" в электрическом сигнале, в отличие от более транзиторных "автографов" узлов», — объясняет ведущий автор статьи д-р Фей Джен из Кавендишской лаборатории.
Эксперименты указывают на недостающий механизм
Чтобы прийти к этому заключению, исследователи протестировали ДНК, используя нанопоры как из стекла, так и из нитрида кремния, при широком диапазоне напряжений и условий. Они заметили, что так называемые «треугольные» явления, когда пору занимали одновременно несколько отрезков ДНК, происходили куда более часто, чем можно было бы объяснить с помощью теории «узлов».
Эти явления случались ещё чаще по мере повышения напряжения и при удлинении нитей ДНК. Эта закономерность предполагала, что в дело вступила некая иная сила.
Как проточная вода закручивает ДНК
Учёные обнаружили, что это перекручивание возникает благодаря электроосмотическому потоку — движению воды, вызванному электрическими полями внутри нанопоры. Когда вода протекает мимо ДНК, она придаёт спиралевидной молекуле вращающий импульс. Этот крутящий момент проходит через нить, приводя к тому, что фрагменты, находящиеся за пределами поры, скручиваются в плектонемы.
В отличие от узлов, которые распрямляются под действием растягивающих сил и обычно быстро исчезают, плектонемы могут становиться крупнее и оставаться на месте в течение всего процесса пропускания. Компьютерные модели, в которых применялись реалистичные силы и крутящие моменты, подтвердили такое поведение и показали, что образование плектонем зависит от способности ДНК передавать скручивание на всём своём протяжении.
Блокировка перевитий подтвердила открытие
Чтобы дальше проверить эту идею, учёные создали ДНК с «подсечками» — нити, которые прерывались в определенных точках. Эти перехваты не позволяли перекручиванию распространяться вдоль молекулы и резко сокращали образование плектонем во время экспериментов.
Этот результат подтвердил то, что распространение перекручивания является основой этого процесса. Он также намекает на то, что для обнаружения повреждений в ДНК нанопоры могут использоваться по-новому, так как разрывы нити препятствуют возникновению перевитий.
Считывание сигналов ДНК с новой точностью
«Что здесь действительно полезно, так это то, что теперь мы можем отличать узлы от плектонем в сигналах из нанопор на основании их длительности», — говорит профессор Ульрих Ф. Кейзер, также работающий в Кавендишской лаборатории и выступивший соавтором исследования.
«Узлы проходят быстро, как быстрый толчок, в то время как плектонемы остаются на месте и создают длительные сигналы. Это открывает путь к более полным и детальным сведениям об организации ДНК, её геномной целостности и вероятности повреждений».
Более широкое значение для биологии и технологий
Эти находки выходят за рамки считывания ДНК с помощью нанопор. В живых клетках ДНК регулярно перекручиваются и запутываются в то время, когда подвергаются воздействию ферментов, и как узлы, так и плектонемы играют важные роли в организации и стабильности генома. Понимание того, как образуются эти структуры, может улучшить модели поведения ДНК в клетке.
В отношении диагностики и биосчитывания, способность обнаруживать и контролировать скручивание ДНК может привести к созданию более точных инструментов, способных идентифицировать малейшие генетические изменения и ранние признаки повреждения ДНК, связанные с заболеваниями.
«С точки зрения нанотехнологии исследование показывает мощь нанопор не только в качестве сложных сенсоров, но и в качестве инструментов для управления биополимерами новыми способами», — заключает Кейзер.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Кембриджским университетом.
Вам также может быть интересно: