Дві молекули ДНК заряджені негативно і, за законами електростатики, мають відштовхуватися. Але всередині клітини вони здатні підходити одна до одної майже впритул, вишиковуватися паралельно й утворювати стійкі контакти.
Тепер дослідникам уперше вдалося безпосередньо побачити структуру такого зближення.
Учені з університетів Йорка та Шеффілда використали атомно-силову мікроскопію високої роздільності в рідкому середовищі й поєднали її з комп'ютерним моделюванням молекулярної динаміки. На зображеннях дві подвійні спіралі ДНК розташовувалися поруч упродовж кількох витків, причому їхня геометрія збігалася напрочуд точно: великі борозенки вирівнювалися навпроти великих, малі — навпроти малих.
Утворювалася структура, що нагадує молекулярну застібку-блискавку.
Іони стають містками
Ключову роль у цьому процесі відіграють двовалентні іони металів — насамперед магнію, кальцію та нікелю.
Оскільки фосфатний остов ДНК несе негативний заряд, дві молекули природно відштовхуються. Позитивно заряджені іони частково компенсують цю взаємодію і можуть формувати своєрідні містки між сусідніми спіралями.
Але механізм виявився цікавішим за просту «нейтралізацію заряду».
Моделювання показало, що іони здатні розташовуватися всередині великих і малих борозенок ДНК і створювати просторово організовану мережу контактів. Завдяки цьому дві спіралі не просто зближуються — вони отримують можливість вишикуватися одна щодо одної в певній геометрії.
Саме таку модель електростатичної «ДНК-блискавки» близько двадцяти років тому запропонував професор Олексій Корнишев та його колеги. Досі вона значною мірою залишалася теоретичною.
Тепер дослідники отримали її пряме структурне підтвердження.
Не всі іони діють однаково
Різні метали створюють різні типи контактів.
Іони нікелю демонстрували більш локалізовані взаємодії з певними ділянками ДНК. Магній і кальцій формували різноманітніші мережі зв'язків і могли брати участь у контактах як у малих, так і у великих борозенках.
Це означає, що хімічне оточення здатне впливати на те, наскільки стійко дві молекули ДНК перебуватимуть поруч і яким чином вони будуть орієнтовані одна щодо одної.
Однак тут важливо не заходити надто далеко: експеримент не показує, що ДНК самостійно й безпомилково розпізнає ідентичну послідовність лише завдяки іонам.
Дослідники спостерігали контакти як між подібними, так і між відмінними послідовностями. Автори припускають, що збіг послідовностей може допомагати підтримувати правильне вирівнювання й поширювати контакт уздовж молекули, але цей механізм ще належить вивчити докладніше.
Навіщо ДНК узагалі зближуватися?
Подібні взаємодії можуть мати значення для фундаментальних процесів усередині клітини: організації хромосом, взаємодії ділянок геному та механізмів, за яких молекули ДНК мають знаходити й зіставляти схожі послідовності.
Робота також цікава для ДНК-нанотехнологій. Що краще дослідники розуміють, які сили змушують дві спіралі зближуватися і як на цей процес впливають іони, то точніше можна проєктувати штучні структури на основі ДНК — наприклад, конструкції ДНК-орігамі та інші програмовані наноструктури.
Але, мабуть, найцікавіша частина дослідження — в іншому.
На молекулярному рівні життя постійно розв'язує задачі, які на перший погляд здаються фізично неможливими. Дві негативно заряджені спіралі мали б розійтися — а натомість опиняються поруч, точно зіставляючи свої борозенки.
І кілька крихітних іонів допомагають перетворити відштовхування на впорядкований контакт.
