Две молекулы ДНК заряжены отрицательно и, по законам электростатики, должны отталкиваться. Но внутри клетки они способны подходить друг к другу почти вплотную, выстраиваться параллельно и образовывать устойчивые контакты.
Теперь исследователям впервые удалось напрямую увидеть структуру такого сближения.
Учёные из университетов Йорка и Шеффилда использовали атомно-силовую микроскопию высокого разрешения в жидкой среде и объединили её с компьютерным моделированием молекулярной динамики. На изображениях две двойные спирали ДНК располагались рядом на протяжении нескольких витков, причём их геометрия совпадала удивительно точно: большие бороздки выравнивались напротив больших, малые — напротив малых.
Получалась структура, напоминающая молекулярную застёжку-молнию.
Ионы становятся мостиками
Ключевую роль в этом процессе играют двухвалентные ионы металлов — прежде всего магния, кальция и никеля.
Поскольку фосфатный остов ДНК несёт отрицательный заряд, две молекулы естественным образом отталкиваются. Положительно заряженные ионы частично компенсируют это взаимодействие и могут формировать своеобразные мостики между соседними спиралями.
Но механизм оказался интереснее простой «нейтрализации заряда».
Моделирование показало, что ионы способны располагаться внутри больших и малых бороздок ДНК и создавать пространственно организованную сеть контактов. Благодаря этому две спирали не просто сближаются — они получают возможность выстроиться относительно друг друга в определённой геометрии.
Именно такую модель электростатической «ДНК-молнии» около двадцати лет назад предложил профессор Алексей Корнышев и его коллеги. До сих пор она в значительной степени оставалась теоретической.
Теперь исследователи получили её прямое структурное подтверждение.
Не все ионы действуют одинаково
Разные металлы создают разные типы контактов.
Ионы никеля демонстрировали более локализованные взаимодействия с определёнными участками ДНК. Магний и кальций формировали более разнообразные сети связей и могли участвовать в контактах как в малых, так и в больших бороздках.
Это означает, что химическое окружение способно влиять на то, насколько устойчиво две молекулы ДНК будут находиться рядом и каким образом они будут ориентированы относительно друг друга.
Однако здесь важно не заходить слишком далеко: эксперимент не показывает, что ДНК самостоятельно и безошибочно распознаёт идентичную последовательность только благодаря ионам.
Исследователи наблюдали контакты как между сходными, так и между различающимися последовательностями. Авторы предполагают, что совпадение последовательностей может помогать поддерживать правильное выравнивание и распространять контакт вдоль молекулы, но этот механизм ещё предстоит изучить подробнее.
Зачем ДНК вообще сближаться?
Подобные взаимодействия могут иметь значение для фундаментальных процессов внутри клетки: организации хромосом, взаимодействия участков генома и механизмов, при которых молекулы ДНК должны находить и сопоставлять похожие последовательности.
Работа также интересна для ДНК-нанотехнологий. Чем лучше исследователи понимают, какие силы заставляют две спирали сближаться и как на этот процесс влияют ионы, тем точнее можно проектировать искусственные структуры на основе ДНК — например, конструкции ДНК-оригами и другие программируемые наноструктуры.
Но, пожалуй, самая интересная часть исследования — в другом.
На молекулярном уровне жизнь постоянно решает задачи, которые на первый взгляд кажутся физически невозможными. Две отрицательно заряженные спирали должны разойтись — а вместо этого оказываются рядом, точно совмещая свои бороздки.
И несколько крошечных ионов помогают превратить отталкивание в упорядоченный контакт.
